CN111272515A - 用于3d打印混凝土与钢筋黏结性能测试的试件制作装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑施工领域，尤其涉及一种用于3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试的试件制作装置。该试件制作及性能测试装置包括：工作台；2个水平钢筋置放架，分别位于所述工作台的上方两侧；置物木板，位于所述工作台的上方且位于所述水平钢筋置放架之间；竖向钢筋置放架，位于所述置物木板的下方；支撑脚，位于所述工作台的下方且位于所述竖向钢筋置放架的两侧。该试件制作及性能测试装置充分考虑3D打印混凝土的方向性和内部截面削弱的不均匀性质，实现3D打印混凝土与钢筋黏结性能的测试，为之后的一次成型3D打印混凝土构件的设计与制作提供依据。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工领域，尤其涉及一种用于3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试的试件制作装置。
背景技术
3D打印混凝土技术具有节省模板耗材、降低人力消耗、加快施工进度和减少环境影响等优点，其在建筑施工方面的应用与推广，是未来建筑工业化、智能建造领域的一个重要发展方向。现有的3D打印混凝土构件，主要采用3D打印混凝土外壳、内置钢筋笼后浇筑内部混凝土的方式制作，虽达到节省模板的作用，但该方式需要现场浇筑大量混凝土，无法完全发挥3D打印在建筑施工方面的优势。
混凝土与钢筋之间的黏结性能是保障构件受力安全的基础，因此若要实现3D打印混凝土构件的一次成型，则应对3D打印混凝土与钢筋的黏结性能进行试验研究。但现有的混凝土与钢筋黏结性能的测试方法，如拔出试验、梁式试验、半梁式试验等，试块均采用现浇方式制作，没有与3D打印混凝土试块相匹配的制作方法，无法充分考虑3D打印混凝土的方向性，且中心拔出试件无法充分考虑3D打印混凝土试件内部不均匀的显著特点，因此并不适用于测试钢筋与3D打印混凝土的黏结性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于试件制作及性能测试装置及测试方法，解决现有的适用于现浇试件的中心拔出试件试验方法无法测试3D打印混凝土与钢筋之间的黏结性能的问题。充分考虑3D打印混凝土的方向性和内部截面削弱的不均匀性质，实现3D打印混凝土与钢筋黏结性能的测试，为之后的一次成型3D打印混凝土构件的设计与制作提供依据。
具体的，本发明的技术方案如下：
本发明第一个方面公开了一种试件制作及性能测试装置，包括：
工作台；
2个水平钢筋置放架，分别位于所述工作台的上方两侧；
置物木板，位于所述工作台的上方且位于所述水平钢筋置放架之间；
竖向钢筋置放架，位于所述置物木板的下方；
支撑脚，位于所述工作台的下方且位于所述竖向钢筋置放架的两侧；
其中，所述水平钢筋置放架包括2块对称设置的L形钢架，所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段下方设置有水平槽滑，其与工作台呈垂直的垂直段上设置有竖向滑槽；所述竖向滑槽之间还设置有钢筋置放件。
钢筋置放件用于放置钢筋，可通过螺栓和滑槽固定在L形钢架任意高度，便于水平钢筋定位，使用时应保证左右两端钢筋置放件的高度一致。
优选的，所述竖向钢筋置放架设置有竖向钢筋放置槽，其底部还设置有隔板移动滑槽及沿着该隔板移动滑槽上下移动的隔板。
优选的，所述钢筋置放件与所述竖向滑槽通过螺栓固定。
优选的，所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段上设置有螺栓。更优选的，所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段上设置有2个螺栓，使得水平钢筋置放架可以左右移动。
置物木板放置在工作台台面上，木板上下表面应水平；当试件使用水平钢筋(X向、Y向试件)时，采用无孔洞的置物木板，当试件采用竖向钢筋(Z向试件)时，采用有孔洞的置物木板，木板孔洞的尺寸和位置应与试件所需钢筋的尺寸和位置相匹配。
优选地，工作台台面侧边标有刻度，以居中位置为零刻度线，便于试件及水平钢筋置放架定位；水平钢筋置物架竖向侧边标有刻度，以工作台为零刻度，便于水平钢筋定位。
优选地，竖向钢筋置放架底部的隔板可通过旋转把手调整高度。
优选地，竖向钢筋置放架为可拆卸更换结构。
更优选地，竖向钢筋置放架底部的隔板在适当位置开槽，便于固定竖向钢筋位置。
优选地，置物木板宽度与工作台宽度一致，长度依照试件尺寸而定，应比试件稍长一些，置物木板四周通过夹具与工作台固定。
优选地，支撑脚和竖向钢筋置放槽的高度大于500mm，试件制作时，便于保证竖向钢筋伸出混凝土试件表面具有足够的长度。
本发明第二个方面公开了利用上述的试件制作及性能测试装置进行试件制作的方法，包括：
S1、打印X向(打印条带内喷嘴移动方向)和Y向(打印条带移动方向)试件：将水平钢筋置放架和钢筋置放件调整到合适的位置后，在置物木板上依照打印程序进行3D打印混凝土至指定高度后，将三根水平钢筋放置在钢筋置放件上，并继续打印余下部分的混凝土，形成完整的试件；其中，X向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向平行，Y向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向垂直；
S2、打印Z向(打印层方向)试件：工作台面和置物木板上开设3个孔洞后，将三根钢筋分别穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内，并在置物木板孔洞与钢筋的空隙内填充垫块，在置物木板上依照要求进行3D打印混凝土，每打印一层通过调节隔板将三根钢筋同步向上移动一层打印层高度，直至形成完整的试件。
优选的，所述钢筋上套有塑料套管。
优选的，S1或S2中完整的试剂初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
在本发明的一具体实施例中，利用上述的试件制作及性能测试装置进行试件制作的方法，包括：
1)打印X向和Y向试件
A)清理工作台，调整工作台面水平，根据钢筋长度及试件尺寸放置合适的置物木板(采用无孔洞的置物木板)，并将水平钢筋置放架调整至合适的水平位置；
B)将水平钢筋置放架上的钢筋置放件的高度调整至钢筋布置高度，完成水平钢筋定位；
C)在置物木板上依照打印程序进行3D打印混凝土至钢筋高度后，将套有塑料套管的三根水平钢筋放置在钢筋置放件上，并继续打印余下部分的混凝土，形成完整的试件，其中，X向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向平行，Y向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向垂直；
D)初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
优选地，打印X向试件时，使中部钢筋位于打印条带中央，外部两根钢筋位于打印条带交界处。
2)打印Z向试件
A)清理工作台，调整工作台面水平，根据试件尺寸放置合适的置物木板(采用有孔洞的置物木板)，将置物木板的孔洞调整至竖向钢筋置放槽的位置一致；
B)将钢筋穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内；
C)将三根钢筋分别穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内，并在置物木板孔洞与钢筋的空隙内填充垫块，防止混凝土打印时砂浆渗出；
D)在钢筋上套入塑料套管；
E)在置物木板上依照要求进行3D打印混凝土，每打印一层将三根钢筋同步向上移动一层，直至形成完整的试件；
F)初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
其中在钢筋上套上塑料套管，使得在加载时，减少荷载作用下混凝土对加载端钢筋的局部挤压作用，也便于控制钢筋和混凝土黏结段的长度。
优选地，在Z向试件打印完成后，再通过旋转把手调整竖向钢筋置放槽底部隔板将竖向钢筋向上移动5cm，便于自由端位移计固定。
本发明第三个方面公开了根据上述方法得到的试件。
本发明第四个方面公开了一种利用上述的试件制作及性能测试装置进行试件性能测试的方法，所述性能测试指3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试，包括：
(1)将试件通过夹具与钢反力架、移动横梁和液压万能试验机进行安装，用锚具将三根钢筋进行连接，并通过移动横梁对三根钢筋同步逐级施加恒定荷载，量测钢筋自由端开始滑移时的荷载值Fso、各级荷载值Fs及对应的钢筋自由端的滑移值S1-S3、钢筋黏结破坏时的最大荷载值Fsu、黏结破坏时钢筋自由端的最大滑移值Su1-Su3；
(2)按下列公式计算各级荷载下的黏结应力实测值和滑移值，建立τ-s曲线：
la＝5d；
式中：
τu——钢筋和混凝土黏结应力(kN/mm2)；
Fsu——外加荷载值(kN)；
d——钢筋直径(mm)；
la——钢筋的埋入长度(mm)；
a——混凝土抗压强度修正系数；
fcu——试件龄期为28天时的3D打印混凝土立方体试块抗压强度实测值(kN/mm2)；
S1、S2和S3——分别为各级荷载值作用下三根钢筋自由端的滑移值；
s——各级荷载值作用下三根钢筋自由端的平均滑移值。
在本发明的一些具体实施例中公开了利用上述的试件制作及性能测试装置进行试件性能测试的方法，所述性能测试指3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试，包括：
1)本试验中，3D打印混凝土与钢筋的黏结性能采用无横向钢筋的三根钢筋立方体同步拔出试件确定。试件中三根钢筋直径保持一致，宜为6-10mm。
拔出试件采用边长为10倍钢筋直径且不小于100mm的3D打印混凝土立方体试件，钢筋放置在立方体中轴线上，埋入部分长度和无黏结部分长度各为5d，无黏结部分的钢筋套上硬质的光滑塑料套管，套管末端与钢筋之间空隙应封闭。
钢筋伸出混凝土表面的长度，自由端为5-10mm，加载端应根据加载装置的夹具长度确定。
2)每组拔出试件X向、Y向、Z向分别制作六个，同时制作相应方向的3D打印混凝土立方体试件三个。
3)试件制作完成后，在标准养护室内进行养护，在试件龄期为28天时进行试验。
4)加载速度根据钢筋的直径确定，每种钢筋施加荷载的速度按下式计算：
VF＝3×0.025d2
式中：
VF——加载速度(kN/min)；
d——钢筋直径(mm)。
加载速度应均匀，不可施加冲击荷载。
5)试验量测的项目包括：
①钢筋自由端开始滑移时的荷载值Fso；
②各级荷载值Fs对应的三根钢筋自由端的滑移值S1-S3；
③钢筋黏结破坏时的最大荷载值Fsu；
④黏结破坏时三根钢筋自由端的最大滑移值Su1-Su3。
6)各方向、各级荷载作用下的黏结应力实测值及滑移值按下列公式计算：
la＝5d
式中：
τu——钢筋和混凝土黏结应力(kN/mm2)；
Fsu——外加荷载值(kN)；
d——钢筋直径(mm)；
la——钢筋的埋入长度(mm)；
a——混凝土抗压强度修正系数；
fcu——试件龄期为28天时的3D打印混凝土立方体试块抗压强度实测值(kN/mm2)；
S1、S2和S3——分别为各级荷载值作用下三根钢筋自由端的滑移值；
s——各级荷载值作用下三根钢筋自由端的平均滑移值。
7)各方向荷载作用下的黏结强度实测值τu按下列公式计算：
本发明第五个方面公开了上述的试件制作及性能测试装置在3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中提出的试件制作及性能测试装置，可以很好地解决3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试的试件制作过程中钢筋在正方体试件中对中放置的问题，尤其解决了Z向试件制作过程中竖向钢筋的放置问题。尽可能减少Z向试件制作过程中对3D打印混凝土的扰动。使用步骤简便，流程清晰，试件制作完成后拆卸方便。
本发明中提出的3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试方法，充分考虑了3D打印混凝土的各项异性，结合三向试件的制作，对3D打印混凝土与钢筋黏结性能进行全面的测试和评估。
本发明中针对3D打印混凝土内部的不均匀性，采用了三根钢筋同步拔出试验，充分考虑钢筋位于打印条带接缝时对黏结性能的削弱作用，解决了现有的混凝土与钢筋黏结性能测试方法不适用于3D打印混凝土的难题。
附图说明
图1显示为本发明实施例中试件制作及性能测试装置立面示意图。
图2显示为本发明实施例中试件制作及性能测试装置竖向剖面示意图。
图3显示为本发明实施例中试件制作及性能测试装置台面俯视图。
图4显示为本发明实施例中水平钢筋置放架侧视图。
图5显示为本发明实施例中3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试的试件示意图。
图6显示为本发明实施例中3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试的测试装置示意图。
图中：
11-工作台，12-支撑脚，13-竖向钢筋置放架，131-竖向钢筋置放槽，132-隔板，133-隔板移动滑槽，134-隔板调整旋钮，14-水平滑槽，21-水平钢筋置放架，22-钢筋置放件，23-竖向滑槽，24-钢筋预留孔，31-置物木板，32-木板家具，33,34,35：置物木板孔洞，41-液压万能试验机，42-试件，43-钢反力架，44-移动横梁，45-钢筋锚具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1-图4所示，本实施例公开了一种试件制作及性能测试装置，包括：
工作台11；
2个水平钢筋置放架21，分别位于所述工作台11的上方两侧；
置物木板31，位于所述工作台11的上方且位于所述水平钢筋置放架21之间；
竖向钢筋置放架131，位于所述置物木板21的下方；
支撑脚12，位于所述工作台11的下方且位于所述竖向钢筋置放架21的两侧；
其中，所述水平钢筋置放架21包括2块对称设置的L形钢架，所述L形钢架其与工作台11呈平行的水平段下方设置有水平槽滑14，其与工作台呈垂直的垂直段上设置有竖向滑槽23；所述竖向滑槽23之间还设置有钢筋置放件22。
所述竖向钢筋置放架21设置有竖向钢筋放置槽131，其底部还设置有隔板移动滑槽131及沿着该隔板移动滑槽133上下移动的隔板132。所述竖向钢筋置放架上还设置有隔板调整旋钮134。
所述钢筋置放件22与所述竖向滑槽23通过螺栓固定。可通过螺栓和竖向滑槽23固定在L形钢架任意高度，便于水平钢筋定位，使用时应保证左右两端钢筋放置件22的高度一致。
所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段上设置有2个螺栓，使得水平钢筋置放架21可以左右移动。
所述竖向滑槽23之间还设置有钢筋预留孔24。
采用木板夹具32固定置物木板31。在打印Z向试件时，在置物木板上开设三个置物木板孔洞(33,34,35)。
实施例2
本实施例公开了利用实施例1所述的试件制作及性能测试装置进行试件制作的方法，包括：
1)打印X向和Y向试件
A)清理工作台，调整工作台面水平，根据钢筋长度及试件尺寸放置合适的置物木板(采用无孔洞的置物木板)，并将水平钢筋置放架调整至合适的水平位置；
B)将水平钢筋置放架上的钢筋置放件的高度调整至钢筋布置高度，完成水平钢筋定位；
C)在置物木板上依照打印程序进行3D打印混凝土至钢筋高度后，将套有塑料套管的三根水平钢筋放置在钢筋置放件上，并继续打印余下部分的混凝土，形成完整的试件，其中，X向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向平行，Y向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向垂直；
D)初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
优选地，打印X向试件时，使中部钢筋位于打印条带中央，外部两根钢筋位于打印条带交界处。
2)打印Z向试件
A)清理工作台，调整工作台面水平，根据试件尺寸放置合适的置物木板(采用有孔洞的置物木板)，将置物木板的孔洞调整至竖向钢筋置放槽的位置一致；
B)将钢筋穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内；
C)将三根钢筋分别穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内，并在置物木板孔洞与钢筋的空隙内填充垫块，防止混凝土打印时砂浆渗出；
D)在钢筋上套入塑料套管；
E)在置物木板上依照要求进行3D打印混凝土，每打印一层将三根钢筋同步向上移动一层，直至形成完整的试件；
F)初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
在Z向试件打印完成后，再通过旋转把手调整竖向钢筋置放槽底部隔板将竖向钢筋向上移动5cm，便于自由端位移计固定。
得到的试件如图5所示。
实施例3
如图6所示，本实施例公开了一种利用实施例1所述的试件制作及性能测试装置进行试件性能测试的方法，所述性能测试指3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试，包括：
(1)将试件42通过夹具与钢反力43架、移动横梁44和液压万能试验机41进行安装，用钢筋锚具45将三根钢筋进行连接，并通过移动横梁44对三根钢筋同步逐级施加恒定荷载，量测钢筋自由端开始滑移时的荷载值Fso、各级荷载值Fs及对应的钢筋自由端的滑移值S1-S3、钢筋黏结破坏时的最大荷载值Fsu、黏结破坏时钢筋自由端的最大滑移值Su1-Su3；
本试验中，3D打印混凝土与钢筋的黏结性能采用无横向钢筋的三根钢筋立方体同步拔出试件确定。试件中三根钢筋直径保持一致，宜为6-10mm。
2)拔出试件采用边长为10倍钢筋直径且不小于100mm的3D打印混凝土立方体试件，钢筋放置在立方体中轴线上，埋入部分长度和无黏结部分长度各为5d，无黏结部分的钢筋套上硬质的光滑塑料套管，套管末端与钢筋之间空隙应封闭。
钢筋伸出混凝土表面的长度，自由端为5-10mm，加载端应根据加载装置的夹具长度确定。
3)组拔出试件X向、Y向、Z向分别制作六个，同时制作相应方向的3D打印混凝土立方体试件三个。
试件制作完成后，在标准养护室内进行养护，在试件龄期为28天时进行试验。
4)加载速度根据钢筋的直径确定，每种钢筋施加荷载的速度按下式计算：
VF＝3×0.025d2
式中：
VF——加载速度(kN/min)；
d——钢筋直径(mm)。
加载速度应均匀，不可施加冲击荷载。
5)试验量测的项目包括：
①钢筋自由端开始滑移时的荷载值Fso；
②各级荷载值Fs对应的三根钢筋自由端的滑移值S1-S3；
③钢筋黏结破坏时的最大荷载值Fsu；
④黏结破坏时三根钢筋自由端的最大滑移值Su1-Su3。
6)各方向、各级荷载作用下的黏结应力实测值及滑移值按下列公式计算：
la＝5d
式中：
τu——钢筋和混凝土黏结应力(kN/mm2)；
Fsu——外加荷载值(kN)；
d——钢筋直径(mm)；
la——钢筋的埋入长度(mm)；
a——混凝土抗压强度修正系数；
fcu——试件龄期为28天时的3D打印混凝土立方体试块抗压强度实测值(kN/mm2)；
S1、S2和S3——分别为各级荷载值作用下三根钢筋自由端的滑移值；
s——各级荷载值作用下三根钢筋自由端的平均滑移值。
7)各方向荷载作用下的黏结强度实测值τu按下列公式计算：
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种试件制作及性能测试装置，其特征在于，包括：
工作台；
2个水平钢筋置放架，分别位于所述工作台的上方两侧；
置物木板，位于所述工作台的上方且位于所述水平钢筋置放架之间；
竖向钢筋置放架，位于所述置物木板的下方；
支撑脚，位于所述工作台的下方且位于所述竖向钢筋置放架的两侧；
其中，所述水平钢筋置放架包括2块对称设置的L形钢架，所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段下方设置有水平槽滑，其与工作台呈垂直的垂直段上设置有竖向滑槽；所述竖向滑槽之间还设置有钢筋置放件。
2.根据权利要求1所述的试件制作及性能测试装置，其特征在于，所述竖向钢筋置放架设置有竖向钢筋放置槽，其底部还设置有隔板移动滑槽及沿着该隔板移动滑槽上下移动的隔板。
3.根据权利要求1所述的试件制作及性能测试装置，其特征在于，所述钢筋置放件与所述竖向滑槽通过螺栓固定。
4.根据权利要求1所述的试件制作及性能测试装置，其特征在于，所述L形钢架其与工作台呈平行的水平段上设置有螺栓。
5.利用权利要求1-4任一项所述的试件制作及性能测试装置进行试件制作的方法，其特征在于，包括：
S1、打印X向和Y向试件：将水平钢筋置放架和钢筋置放件调整到合适的位置后，在置物木板上依照打印程序进行3D打印混凝土至指定高度后，将三根水平钢筋放置在钢筋置放件上，并继续打印余下部分的混凝土，形成完整的试件；其中，X向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向平行，Y向试件打印条带内喷嘴移动方向与钢筋布置方向垂直；
S2、打印Z向试件：工作台面和置物木板上开设3个孔洞后，将三根钢筋分别穿过置物木板和工作台面的孔洞，竖向***竖直钢筋置放槽内，并在置物木板孔洞与钢筋的空隙内填充垫块，在置物木板上依照要求进行3D打印混凝土，每打印一层通过调节隔板将三根钢筋同步向上移动一层打印层高度，直至形成完整的试件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钢筋上套有塑料套管。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S1或S2中完整的试剂初凝后将试件从工作台上取下，拆除置物木板，进行标准养护28天。
8.根据权利要求5-7任一项所述方法得到的试件。
9.一种利用权利要求1-4任一项所述的试件制作及性能测试装置进行试件性能测试的方法，所述性能测试指3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试，其特征在于，包括：
(1)将试件通过夹具与钢反力架、移动横梁和液压万能试验机进行安装，用锚具将三根钢筋进行连接，并通过移动横梁对三根钢筋同步逐级施加恒定荷载，量测钢筋自由端开始滑移时的荷载值Fso、各级荷载值Fs及对应的钢筋自由端的滑移值S1-S3、钢筋黏结破坏时的最大荷载值Fsu、黏结破坏时钢筋自由端的最大滑移值Su1-Su3；
(2)按下列公式计算各级荷载下的黏结应力实测值和滑移值，建立τ-s曲线：
la＝5d；
式中：
τu——钢筋和混凝土黏结应力(kN/mm2)；
Fsu——外加荷载值(kN)；
d——钢筋直径(mm)；
la——钢筋的埋入长度(mm)；
a——混凝土抗压强度修正系数；
fcu——试件龄期为28天时的3D打印混凝土立方体试块抗压强度实测值(kN/mm2)；
S1、S2和S3——分别为各级荷载值作用下三根钢筋自由端的滑移值；
s——各级荷载值作用下三根钢筋自由端的平均滑移值。
10.根据权利要求1-9任一项所述的试件制作及性能测试装置在3D打印混凝土与钢筋黏结性能测试领域中的应用。
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- 2020-04-01 CN CN202010249429.XA patent/CN111272515A/zh active Pending
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