CN108827827B - 一种3d打印混凝土建造性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印混凝土建造性测试装置及方法，该装置包括支架、荷载容器、成模模具、激光位移检测仪；支架上部为支撑套，底部为底板，支撑套通过支撑杆与底板固定连接；荷载容器上部开口、底部封闭，荷载容器穿设在支撑套中；成模模具用于制作待测试的砂浆模型；激光位移检测仪包括两个激光位移传感器和一个显示屏，纵向激光传感器固定安装在所述荷载容器的侧壁上，横向激光传感器通过可移动固定装置设置在底板上，显示屏通过导线连接两个激光位移传感器。本发明可完全模拟实际过程中的打印情况，超高的还原打印过程中的变形，可以直观看出加载过程中竖向变形曲线；通过模拟不同层间打印时间间隔，可研究层间打印间隔时间对建造性的影响，为确定垂直打印速率提供参考。

Description

一种3D打印混凝土建造性测试装置及方法

技术领域

本发明属于混凝土性能测试领域，尤其涉及一种3D打印混凝土建造性测试装置及方法。

背景技术

现有文献将3D打印混凝土中的可打印性定义为水泥基材料顺利通过3D打印***的能力。可打印性不仅是材料的一个单纯性质，它与材料的可挤出性，建造性和层间粘结强度有关。

可挤出性：新拌水泥基材料通过泵送或者螺旋挤出方式顺利通过挤出口，挤出来的条状混凝土均匀连续，不发生撕裂或者断裂的情况。

可建造性：新拌水泥基材料挤出成型后，在承受自重以及上部覆盖层的压力后，维持自身形状的能力。

层间粘结强度：打印后层与层之间粘接在一起的能力。

3D打印速率跟建造性密切联系，高的建造性适应快的打印速率，有利于加快施工速率，实现打印构件高周转。目前国内外缺乏准确测试材料建造性的设备，仅仅对材料的变形给出了简单的评价方法，很难与打印过程中的变形相比较，无法模拟打印过程中变形值，操作过程中偶然误差多，测出指标波动性大。

由此可见，现有技术无法模拟混凝土的3D打印过程，无法模拟打印过程中混凝土的变性值，且操作过程中偶然误差多，测出指标波动性大，不能准确的测试3D打印混凝土的建造性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种3D打印混凝土建造性测试装置及其应用方法，解决上述技术问题。

本申请实现上述目的的技术方案是：

一种3D打印混凝土建造性测试装置，包括支架、荷载容器、成模模具、激光位移检测仪，所述支架上部为支撑套，底部为底板，所述支撑套通过支撑杆与底板固定连接；所述荷载容器上部开口、底部封闭，所述荷载容器穿设在所述支撑套中；所述成模模具用于制作待测试的模型；所述激光位移检测仪包括两个激光位移传感器和一个显示屏，所述纵向激光传感器固定安装在所述荷载容器的侧壁上，横向激光传感器通过可移动固定装置设置在底板上，所述显示屏通过导线连接所述两个激光位移传感器；

利用所述3D打印混凝土建造性测试装置测试3D打印混凝土竖向和横向的变形值的方法，具体步骤如下：

(1)取出成模模具制作砂浆模型，并将所述砂浆模型对齐放置在所料管下方，调整激光传感器位置，确保纵向传感器的激光竖直向下，横向传感器的激光水平，处于砂浆模型1/2高处，且与砂浆模型的中心线相交；

(2)第一次添加载荷并测量：打开激光位移检测仪，设置每次加载重量M_X，加载间隔时间T，加载次数M，称取(M_X-塑料管重量)的荷载，匀速加入塑料管中，读取激光位移检测仪的示数并记录；

(3)第二次加载并测量：根据步骤(2)，称取M_X重量的荷载，加入塑料管；

(4)重复操作步骤(3)，直至加载次数达到M次，再读取激光位移检测仪的示数并记录；

本发明的有益效果为：提供一种3D打印混凝土建造性测试装置及其应用，填补现有技术测试3D打印混凝土建造性的技术空白，能够根据不同的打印情况，快速调整单次加载重量和加载间隔时间，极大程度上模拟了打印过程中的荷载变化情况及打印速度的变化，利用激光位移传感器准确测量了模型的横向和纵向变形量。该装置具备方便、快捷、高效和精准等特点，为研究人员提供了一种研究材料建造性确实可行的测试方法，避免了现场打印测试建造性的盲目性，节省了人力、物力和财力。

附图说明

图1是本发明一种3D打印混凝土建造性测试装装置一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明一种实施例中支架的结构示意图；

图3是本发明一种实施例对混凝土进行测试时的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种3D打印混凝土建造性测试装置，其特点在于，包括支架(2)、荷载容器(1)、成模模具(4)、激光位移检测仪；如图2所示，所述支架(2)上部为支撑套(7)，底部为底板(9)，所述支撑套(7)通过支撑杆(8)与底板(9)固定连接；所述荷载容器(1)上部开口、底部封闭，所述荷载容器用于盛放荷载，所述荷载容器(1)穿设在所述支撑套(7)中；所述成模模具(4)用于制作待测试的砂浆模型；所述激光位移检测仪包括两个激光位移传感器和一个显示屏(5)，所述纵向激光传感器固定安装在所述荷载容器(1)的侧壁上，横向激光传感器通过可移动固定装置(11)设置在底板(9)上，所述显示屏(5)通过导线连接所述两个激光位移传感器。

进一步的，荷载容器(1)穿过所述支撑套(7)时，所述荷载容器(1)的外壁与所述支撑套(7)的内壁之间的距离处处相等，且通过所述成模模具(4)做出的砂浆模型的上表面与所述荷载容器(1)的下表面相互契合。

作为本发明一个实施例，具体的，所述支撑套(7)为空心圆柱，所述底板(9)为圆盘，且所述底板(9)的直径是所述支撑套(7)直径的3倍,所述支撑套(7)的中心线与所述底板(9)的中心线在同一直线上，所述支撑套(7)底面与所述底板(9)表面平行，所述支撑杆(8)有3根，所述支撑杆(8)上端焊接固定在支撑套(7)靠近底面的侧壁上，下端焊接固定在底盘(9)的***。所述荷载容器(1)由塑料管制成，所述荷载容器(1)上部开口，下部封闭；所述荷载容器(1)外径比所述支撑套(7)的内径小1-2mm；所述成模模具(4)的型腔为圆柱形，其内径与所述荷载容器(1)的外径相等。

作为本发明一个实施例，进一步的，荷载容器(1)为塑料管制成，上部开口，下部封闭，外径50mm，壁厚1.5mm，长度1000mm，重量30g；所述支架由不锈钢制成，其中，所述支撑套(7)为空心圆柱，内径52mm，高度60mm；所述底盘(9)为直径150mm、厚度5mm的圆盘，且所述支撑套(7)底面与所述底板(9)表面的距离为300mm；所述成模模具(4)由不锈钢制成，其型腔为直径50mm、高度50mm的圆柱体，并且模具上端开口用于添加砂浆；成模模具(4)可拆卸的安放在支架(2)上。

作为本发明一个实施例，进一步的，激光位移检测仪包括纵向激光位移传感器(3)、横向激光位移传感(6)和显示屏(5)，纵向激光位移传感器(3)固定连接在所述荷载容器上(1)的侧壁上，所述固定连接可采用焊接、螺钉连接等方式，且纵向激光位移传感器(3)发出的激光垂直向下，确保测得距离的准确；横向激光位移传感器(6)通过可移动固定装置(11)设置在底(9)上，可移动固定装置可调节传感器相对与底板(9)的垂直高度及激光的水平方向，保证激光高度位于砂浆模型(10)的1/2高度处，激光保持水平且与砂浆模型(10)的中心线所在的直线相交，确保能够测出横向最大变形值；所述可移动固定装置可以是可随意调节高度的且上部可以旋转的伸缩杆，将伸缩杆底部固定在底板上，然后将横向激光位移传感器固定在伸缩杆上部，并保证横向激光位移传感器发出激光保持水平且与砂浆模型(10)的中心线所在的直线相交；所述两个激光位移传感器分别用导线与显示屏(5)连接，以便于显示屏(5)显示传感器测得的距离信息。

利用本装置测试3D打印混凝土建造性的步骤如下：

本实施例中打印参数为：荷载为水，加水间隔时间为80s，加水次数为18次，单次加水量根据步骤中的计算差值确定。

(1)砂浆制备：采用水泥胶砂搅拌机制备测试材料，搅拌程序为，第一步：确定所述测试材料的所有组份用量；第二步：将全部粉料加入搅拌机，慢搅60s；第三步：匀速加入清水(30s内加完)，边加水边慢速搅拌；第四步：停止搅拌30s，手动刮下锅壁上的干粉料；第五步：快速搅拌60s后取出待用；

(2)试块成模，第一步：取出成模模具(4)，将所述成模模具(4)内表面涂刷一层脱模剂，称取所述成模模具(4)和所述脱模剂总质量M₁；第二步：在所述成模模具(4)内加入模具一半体积的砂浆，将砂浆放在跳桌上振动5次；第三步：在所述成模模具(4)内再加入模具一半体积的砂浆，放在跳桌上振动5次，在振动过程中加入继续添加砂浆保证模型上表面水平；第四步：称取此时成模模具(4)与砂浆的总质量M₂；第五步：拆模，取出砂浆模型(10)，并将所述砂浆模型(10)放置在底板(9)上中心处；

(3)调整砂浆模型(10)与荷载容器(1)对齐,并将荷载容器(1)放在砂浆模型(10)上，调整激光位移传感器位置，确保纵向位移传感器(3)的激光竖直向下，横向位移传感器(6)的激光水平，处于砂浆模型(10)的1/2高处，且与砂浆模型的中心线相交，如图3所示；

(4)第一次添加载荷并测量：打开激光位移检测仪，设置每次加载重量M_X，加载间隔时间80s，加载次数18；

(5)称取(M_X-30)g的水，匀速加入塑料管中，读取激光位移检测仪的示数并记录；

(6)第二次加载并测量：根据步骤(5)，称取M_X重量的水，加入塑料；

(7)重复操作步骤(6)，直至加载次数达到18次，再读取激光位移检测仪的示数并记录。

表1为本实施例测试的6种不同触变性配方的3D打印混凝土，以及新拌混凝土的流动参数。

表1：6中不同3D打印混凝土的配方及其流动参数

表2列出了6种不同触变性配方的3D打印混凝土打印20公分高度，所测出的横向和竖向变形值。

表2：6中不同触变性配方的3D打印混凝土的测试数据

对于6种不同触变性配方的3D打印混凝土，通过本发明的装置，设置加载次数、单次加载重量和加载时间间隔模拟真实的3D打印过程，都可以测得混凝土模型的横向变形量和纵向变形量。由表2可知，本次实施例中的前4种混凝土在打印完成后，其横向变形率都在2.1％以下，纵向变形率都在0.35％以下，而后两种混凝土的横向变形率超过2.5％，其中第5种混凝土的横向变形率达到了2.72％，并且后两种混凝土的纵向变形率都超过0.4％，第6中混凝土的纵向变形率更是达到0.60％，即可得出结论，本次实施例中，前四种配方的混凝土具有较好的建造性，而后两种配方的混凝土建造性较差。由此可见，对于不同的3D打印混凝土，本发明的装置都可以快速、高效、精准的测试其可建造性(横向变形率、纵向变形率)。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特点在于，利用3D打印混凝土建造性测试装置测试3D打印混凝土竖向和横向的变形值;所述3D打印混凝土建造性测试装置包括:支架、荷载容器、成模模具、激光位移检测仪；所述支架上部为支撑套，底部为底板，所述支撑套通过支撑杆与底板固定连接；所述荷载容器上部开口、底部封闭，所述荷载容器穿设在所述支撑套中；所述成模模具用于制作待测试的砂浆模型；所述激光位移检测仪包括两个激光位移传感器和一个显示屏，纵向激光位移传感器固定安装在所述荷载容器的侧壁上，横向激光位移传感器通过可移动固定装置设置在底板上，所述显示屏通过导线连接两个激光位移传感器；

测试3D打印混凝土竖向和横向的变形值具体步骤如下：

（1）取出成模模具制作砂浆模型，将所述砂浆模型放置在支架底板上，并与荷载容器对齐，调整激光位移传感器位置，确保纵向传感器的激光竖直向下，横向传感器的激光水平，处于砂浆模型1/2高处，且与砂浆模型的中心线相交；

（2）第一次添加载荷并测量：打开激光位移检测仪，设置每次加载重量M_X，加载间隔时间T，加载次数M，称取A g的荷载，A=M_X-荷载容器重量，匀速加入荷载容器中，读取激光位移检测仪的示数并记录；

（3）第二次加载并测量：根据步骤（2），称取M_X重量的荷载，加入荷载容器；

（4）重复操作步骤（3），直至加载次数达到M次，再读取激光位移检测仪的示数并记录。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述荷载容器穿过所述支撑套时，所述荷载容器的外壁与所述支撑套的内壁之间的距离处处相等，且通过所述成模模具做出的砂浆模型的上表面与所述荷载容器的下表面相互契合。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述支撑套为空心圆柱，所述底板为圆盘，且所述圆盘的直径是所述空心圆柱直径的3倍。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述空心圆柱的中心线与所述圆盘的中心线为同一直线，所述空心圆柱底面与所述圆盘表面平行，所述支撑杆有3根。

5.根据权利要求3所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述荷载容器由塑料管制成，所述塑料管上部开口，下部封闭。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述塑料管外径比所述空心圆柱的内径小1-2mm。

7.根据权利要求5所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述成模模具为圆柱形，其内径与所述塑料管的外径相等。

8.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，两个所述激光位移传感器分别用于测量所述砂浆模型的横向变形量和纵向变形量，所述显示屏用于显示所述两个激光位移传感器测得的距离。

9.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土建造性测试方法，其特征在于，所述荷载为水，可根据打印的厚度，调节每次加水的重量。

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