CN114895006A - 一种测试3d打印混凝土可建造性的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能制造技术领域，具体涉及一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，该方法包括：待测试件的制备；调整测试装置；安装试件，调控测试环境；测试：将储砂罐内的砂粒下落至上压板上，采集累积打印层模拟单元的载荷值、上压板的倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值，根据载荷值控制释放砂粒的多少，模拟累积打印层模拟单元的重力作用；试验结果的判定：当倾角值达到设定阈值时停止试验；采用倾角时变率θ t、试件的尺寸时变率△D t两个指标来评价3D打印混凝土拌合料的可建造性。该方法可对不同配合比3D打印混凝土拌合料的可建造性进行准确对比和评价。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造技术领域，具体涉及一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法。
背景技术
当前，随着第四次工业革命朝人工智能方向迈进，建筑业也迎来智能建造时代，3D打印混凝土技术所具有的智能、高效和精确构造等技术优势及所带来的人力需求少、资源消耗少和环境负载低等经济和社会效益将使其成为建筑业发展智能建造的关键组成部分。但目前无论是3D打印混凝土制备理论，还是性能评价方法都尚不完善，与实际需求相距甚远，严重制约着3D打印混凝土技术的进步和发展。
作为一种逐层堆叠的增材制造工艺，3D打印工艺不仅要求新拌混合料要有足够的流动性，保证能从喷嘴顺利挤出，还要有足够的可建造性，保证底层材料能够支撑后续层重量，不致因过大累积变形导致倾斜或坍塌。可建造性能不仅决定着打印效率，也决定着打印制品的外观质量、力学性能及耐久性能等。但可建造性突破了传统混凝土对性能要求的范围，目前尚缺乏适宜的试验测试方法和评价指标。现有方法多是基于传统混凝土流变学理论，采用屈服应力、塑性黏度和触变性指标，但对这些指标，特别是触变性能否反映3D打印混凝土的可建造性尚存争议。鉴于倾覆坍塌是反映3D打印混凝土拌合料体积稳定性欠佳的直观表现，有必要针对3D打印混凝土新鲜拌合料的抗倾覆和抗尺寸变异能力开发出能直接评价可建造性能的试验方法和评价指标。
发明内容
本发明为解决3D打印混凝土新鲜拌合料抗倾覆和抗尺寸变异能力的测试问题，提供一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，该方法可对不同配合比3D打印混凝土拌合料的可建造性进行准确对比和评价。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，
步骤A：待测试件的制备：制备方形试模，然后将试模固定在承件板上，向试模中浇筑拌合料，制备得到试件；
步骤B：调整测试装置：在步骤A浇筑前，在环境箱内将砂袋分别和储砂罐、上压板连接，所述储砂罐设置在环境箱内部的上方，储砂罐的底部设置有漏砂嘴，漏砂嘴与砂袋的中心相对应，砂袋的下方设置所述上压板，上压板下方留出空间用于试件的安放和脱模操作；
步骤C：安装试件，调控测试环境：将步骤A中浇筑完成的试件连同试模和承件板放于上压板下方，固定承件板，随之脱去试模，封闭环境箱，并对环境箱内的温、湿度值进行控制；
步骤D：测试：将储砂罐内的砂粒下落至上压板上，采集累积打印层模拟单元的载荷值、上压板的倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值，根据载荷值控制释放砂粒的多少，模拟累积打印层模拟单元的重力作用；所述累积打印层模拟单元包括储砂罐、砂袋、上压板和承件板；
步骤E：试验结果的判定：当倾角值达到设定阈值时停止试验；采用倾角时变率θt、试件的尺寸时变率△Dt两个指标来评价3D打印混凝土拌合料的可建造性。
被测试件的倾角时变率θt越小，表示3D打印混凝土拌合料的可建造性越好，在打印宽度较小的情况下可打印更大高度而不产生倾斜倒塌；△Dt的值越小，试件的体积越稳定，代表3D打印混凝土拌合料的可建造性越好。
更进一步的，步骤A中，向试模中浇筑拌合料前，用脱模剂涂刷试模内侧面和由承件板形成的试模底板面；步骤B中将砂袋通过砂袋卡环分别和储砂罐、上压板连接。
更进一步的，脱去试模后，在所述环境箱中设置数据采集单元和自动控制单元，所述数据采集单元包括载荷传感器、倾角仪和位移传感器，所述载荷传感器设置在承件板下方，所述倾角仪设置在上压板上，所述位移传感器的数量为多个，位移传感器位于试件的侧部；
所述自动控制单元包括控制器，载荷传感器、倾角仪和位移传感器均连接至控制器，所述漏砂嘴上设置有流量阀，所述控制器连接流量阀。
更进一步的，步骤C中，封闭环境箱后，操作自动控制单元，将载荷传感器的载荷值归零。
更进一步的，步骤D中，在储砂罐内的砂粒下落前，将上压板接触试件上表面，当载荷传感器有荷载值时可再次使荷载示值归零，并开启流量阀；或在步骤C中封闭环境箱前使上压板接触试件上表面。
更进一步的，使用载荷传感器、倾角仪和位移传感器分别采集累积打印层模拟单元的载荷值、上压板的倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值并由自动控制单元进行实时保存，控制器根据载荷值控制流量阀释放砂粒的多少。
更进一步的，所述累积打印层模拟单元还包括伺服动力源和升降柱，所述伺服动力源设置在环境箱内部的下方，伺服动力源连接控制器，所述升降柱设置在伺服动力源上并与伺服动力源连接，升降柱上端通过支架连接储砂罐。
更进一步的，所述累积打印层模拟单元还包括立柱、卷扬机和吊绳，所述立柱设置在环境箱内部的下方，立柱上端设置卷扬机，卷扬机连接控制器，卷扬机通过吊绳传动连接储砂罐。
更进一步的，所述自动控制单元还包括环境调控机组，所述环境调控机组包括温度传感器、湿度传感器、温度变送器、蒸发器、加热装置、制冷装置、雾化器和风机，环境调控机组与控制器连接，环境调控机组用于检测和控制环境箱内的温、湿度。
更进一步的，所述倾角时变率θt为单位时间△t内打印层倾角的变化量△θ(t)，计算式如式(1)：
所述试件的尺寸时变率△Dt为被测试件经打印一定时间后的尺寸时变率△D，计算式如式(2)：
△Dt＝abc/t (2)
式中，a，b，c分别为沿试件x、y和z三个方向的变形率：a＝△x/x，b＝△y/y，c＝△z/z，t为经历的时间，min。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明采用一次性浇筑试件代替逐层累积打印试件，可降低因打印条件差异带来的试验误差，且试验测试方法更便于与传统试验方法相衔接。
2.本发明的测试方法提出了两个评价3D打印混凝土可建造性的指标：倾角时变率θt和试件尺寸时变率△Dt；通过测试装置和测试方法可对不同配合比3D打印混凝土拌合料的可建造性进行准确对比和评价。
附图说明
图1为本发明一种测试3D打印混凝土可剪造型的测试方法的流程图。
图2是本发明实施例一的一种测试3D打印混凝土可建造性试验装置的结构示意图；
图3是测试用试件成型所需试模和承件板的结构示意图之一；
图4是测试用试件成型所需试模和承件板的结构示意图之二；
图5是实施例二的一种测试3D打印混凝土可建造性试验装置的结构示意图。
图6是实施例三的一种测试3D打印混凝土可建造性试验装置的结构示意图。
附图中标号为：储砂罐1、支架2、砂袋卡环3、升降柱4、漏砂嘴5、砂袋6、砂粒7、伺服动力源8、上压板9、试件10、承件板11、定位板12、荷载传感器13、环境调控机组14、环境箱16、流量阀17、控制器18、电脑19、倾角仪20、位移传感器21、箱门22、主机座23、试模24、连接螺栓25、定位螺栓26、定位肢27、立柱28、卷扬机29、吊绳30。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“横向”“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种基于测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，包括以下步骤：
步骤A：待测试件的制备：试件10需采用规定尺寸的方形试模24制备，如图3和图4所示，所述试模由四个侧板组成，两个侧板以直角固定连接形成一组，两组侧板通过连接螺栓25连接成一体，固定组成方形，试模24侧板的短边外侧设置定位肢27，承件板11与定位肢27端部的U型卡槽对应设置有用于旋紧定位螺栓26的螺孔，通过定位螺栓26可将试模24和承件板11连成整体。所述试模24的底面积小于承件板11的面积，以便为试件10的塑性变形提供足够空间。用脱模剂涂刷试模24内侧面和由承件板11形成的试模24底板面，将拌制好的拌合料分次浇筑于试模24中，适当插捣，注满试模24后再适当在振动台上振实，用抹刀抹平表面；
步骤B：调整测试装置，为试件10和承件板11留出放置空间：在步骤A浇筑前，将砂袋6通过砂袋卡环3分别和储砂罐1和上压板9连接，使砂袋6的中心与漏砂嘴5的中心相对应，并使所述上压板9下方留出空间以用于试件10的安放和脱模操作；
如图2至图4所示，本实施例所用的测试3D打印混凝土可建造性的装置，包括环境箱16、累积打印层模拟单元、数据采集单元和自动控制单元。
具体的，环境箱16包括箱门22，环境箱16内部的底板上设置有主机座23，以便于部件的安装和固定。环境箱16为试验测试的场所，包括但不限于箱体、试验室。
所述累积打印层模拟单元位于环境箱16内，包括储砂罐1、砂袋6、上压板9和承件板11，所述储砂罐1设置在环境箱16内部的上方，储砂罐1用于放置砂粒，本实施例中，砂粒为钢球，采用颗粒状材料的钢球作为施加荷载方式便于模拟材料逐层累积打印过程，可避免使用液体类材料因挥发等带来的误差，钢球颗粒规整耐磨，可避免像天然砂土等带来的环境污染，且钢球密度大可降低用量。储砂罐1上部为圆筒状、下部为圆锥状，储砂罐1的底部设置有漏砂嘴5，所述漏砂嘴5位于储砂罐1圆锥状结构的底部中心位置，所述漏砂嘴5上设置有流量阀17；储砂罐1的下端设置所述砂袋6，漏砂嘴5与砂袋6的中心相对应，砂袋6为可折叠的圆筒形，圆筒形砂袋不仅便于对后续打印层的重量模拟，也降低了对试件倾角的影响；砂袋6的下方设置所述上压板9。
本实施例中，砂袋6的上、下两端分别通过砂袋卡环3与储砂罐1和上压板9连接，砂袋卡环3是一种刚性环，包括内环和外环，上压板9上方和储砂罐1下方相应位置分别设置有砂袋卡环3的内环，砂袋6的上下两端分别设置砂袋卡环3的外环，内、外环通过螺纹或弹簧卡扣连接形成一幅，从而使砂袋的上下两端分别与储砂罐1和上压板9连接。当砂袋6连接到储砂罐1底部时，砂袋6中心对应漏砂嘴5，砂粒7通过流量阀的控制流入砂袋6中，所形成的砂堆重心大致能与砂袋轴心重合，当试件放置后的几何中心与砂袋的几何中心重合时，可保证对试件施加均匀的重力作用。
本实施例中，砂袋为采用聚合物材质制作而成的柔性的圆筒，质量轻，对试件变形不产生主动限制性影响，且与砂粒构成的荷载重心变化规律与累积打印层重心变化规律更趋近。
步骤C：安装待测试件，调控测试环境：在环境箱底部的主机座23上设置载荷传感器13，将步骤A中浇筑完成的试件连同试模和承件板11放于上压板9下方、载荷传感器13上方，承件板11与上压板9相对应，承件板11和上压板9之间放置试件10。为了便于对试件10的制作和放置，本实施例的承件板11为可拆卸式的，具体的，所述载荷传感器13与承件板11之间设置有定位板12，所述定位板12与承件板11之间设置有梯形键槽结构，所述梯形键槽结构包括设置在承件板11下方的梯形键、开设在定位板12上方的梯形槽，梯形键与梯形槽相配合，以对承件板11进行定位和固定。
脱去试模前，安装并连接好数据采集单元和自动控制单元，随之脱去试模，关闭环境箱16，操作自动控制单元，使载荷传感器13的荷载示值归零，设置环境箱16内部的温、湿度值，开启环境调控机组对环境箱16内的环境进行控制。
所述数据采集单元除了载荷传感器13外，还包括倾角仪20和位移传感器21，所述倾角仪20设置在上压板9上，所述位移传感器21的数量为多个，位移传感器21位于试件的侧部，本实施例中，试件为方形，试件的每侧均设置有两个位移传感器。
所述自动控制单元包括控制器18和电脑19，所述控制器18连接流量阀17，载荷传感器13、倾角仪20和位移传感器21均连接至控制器18。本实施例中，流量阀17为电磁阀，可通过控制软件对出砂量实现精确控制。
荷载传感器13主要用于上方的测试试件10和上压板9、倾角仪20、砂袋6和砂粒7共同形成的重力作用，并将获得的荷载数据信号，通过电缆传递给控制器。方形试件10的每个侧面均布置两个位移传感器21，为避免接触式位移传感器对试验结果带来的误差，所述位移传感器为高精度非接触式激光位移计，可精准测试试件在重力作用下的横向和竖向变形，并将变形信号通过数据电缆传递给控制器。倾角仪20固定于上压板9上表面，所述倾角仪为轻质平板，可用有机玻璃制作，当试件发生不均匀竖向变形时可带动倾角仪产生运动，倾角仪可将采集到的空间位置变化信号通过数据电缆传递给控制器。所述控制器将接收到的荷载和变形信号通过数据转化后传递给电脑19，并通过控制软件在电脑屏幕上实时显示数据状态并进行保存。
所述自动控制单元还包括环境调控机组14，所述环境调控机组14包括温度传感器、湿度传感器、温度变送器、蒸发器、加热装置、制冷装置、雾化器和风机，温度传感器与温度变送器连接，湿度传感器、温度变送器、蒸发器、加热装置、制冷装置、雾化器和风机均与控制器18连接，环境调控机组用于检测和控制环境箱内的温湿度。当关闭箱门22后，通过温度传感器、湿度传感器对温度和湿度信号进行采集，并传递给控制器18和电脑19，通过软件对数据的分析，将指令传递给环境机外组和环境机内组实现对环境箱16中温度和湿度的精确调控。
所述累积打印层模拟单元还包括伺服动力源8和升降柱4，所述伺服动力源8设置在环境箱16内部的下方，伺服动力源8连接控制器18，所述升降柱4设置在伺服动力源8上并与伺服动力源8连接，升降柱4上端通过支架2连接储砂罐1。伺服动力源8为液压伺服或电气伺服控制的动力***，可按设定的程序驱动升降柱4完成上升和下降的运动，试验中可带动储砂罐做上升运动，通过控制程序往砂袋中添加砂粒，模拟累积增加的上部打印层对最底层施加的重力作用。
步骤D：测试阶段：启动伺服动力源8驱动升降柱4下降，使上压板9接触试件上表面，当自动控制单元显示有荷载值时可再次使荷载示值归零；开启流量阀17，储砂罐1内的砂粒下落至上压板9上，载荷传感器13、倾角仪20和位移传感器21分别采集载荷值、倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值并由自动控制单元的电脑19进行实时保存，控制器18根据荷载反馈值控制流量阀17释放砂粒的多少，模拟累积打印层的重力作用；
步骤E：试验结果的判定：当倾角值达到设定阈值时停止试验。在打印过程中，由于3D打印混凝土拌合料在均质性和流变性方面的差异，导致打印制品不同部位抗变形能力的不同，在无模板支撑情况下可能随累积打印层的增加出现倾斜和坍塌破坏。因此，如在规定的时间内，最底打印层产生的倾斜程度不会导致上部打印层倾倒，同时，横向尺寸变化在可接受范围内，即可认为可建造性满足要求。采用两个指标来评价3D打印混凝土拌合料的可建造性，第一个是倾角时变率θt，即单位时间△t内打印层倾角的变化量△θ(t)，计算式如式(1)：
被测试件的倾角时变率θt越小，表示3D打印混凝土拌合料的可建造性越好，在打印宽度较小的情况下可打印更大高度而不产生倾斜倒塌；
第二个指标是试件的尺寸时变率△Dt，即被测试件经打印一定时间后的尺寸时变率△D，计算式如式(2)：
△Dt＝abc/t (2)
式中，a，b，c分别为沿试件x、y和z三个方向的变形率：a＝△x/x，b＝△y/y，c＝△z/z，t为经历的时间，min。△Dt的值越小，试件的体积越稳定，代表3D打印混凝土拌合料的可建造性越好。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图5所示，为了节约本测试装置的制造成本，实施例一的伺服动力源8和升降柱4可由立柱28代替。在测试方法中的步骤C中，在封闭环境箱前通过操作人员手动使上压板9接触试件上表面上。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图6所示，实施例一的伺服动力源8和升降柱4可由立柱28、卷扬机29和吊绳30代替，所述立柱28设置在环境箱16内部的下方，立柱28上端设置卷扬机29，卷扬机29连接控制器18，卷扬机29通过吊绳30传动连接储砂罐1。用卷扬机29和吊绳30控制储砂罐的升降，代替升降柱的功能。为避免储砂罐产生水平偏转和摆动，所述吊绳为四根。
在测试方法的步骤D中，启动卷扬机29带动吊绳30和储砂罐下降，使上压板接触试件上表面。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，
步骤A：待测试件的制备：制备方形试模，然后将试模固定在承件板(11)上，向试模中浇筑拌合料，制备得到试件；
步骤B：调整测试装置：在步骤A浇筑前，在环境箱(16)内将砂袋(6)分别和储砂罐(1)、上压板(9)连接，所述储砂罐(1)设置在环境箱(16)内部的上方，储砂罐(1)的底部设置有漏砂嘴(5)，漏砂嘴(5)与砂袋(6)的中心相对应，砂袋(6)的下方设置所述上压板(9)，上压板(9)下方留出空间用于试件的安放和脱模操作；
步骤C：安装试件，调控测试环境：将步骤A中浇筑完成的试件连同试模和承件板(11)放于上压板(9)下方，固定承件板(11)，随之脱去试模，封闭环境箱(16)，并对环境箱(16)内的温、湿度值进行控制；
步骤D：测试：将储砂罐(1)内的砂粒下落至上压板(9)上，采集累积打印层模拟单元的载荷值、上压板(9)的倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值，根据载荷值控制释放砂粒的多少，模拟累积打印层模拟单元的重力作用；所述累积打印层模拟单元包括储砂罐(1)、砂袋(6)、上压板(9)和承件板(11)；
步骤E：试验结果的判定：当倾角值达到设定阈值时停止试验；采用倾角时变率θt、试件的尺寸时变率△Dt两个指标来评价3D打印混凝土拌合料的可建造性。
2.根据权利要求1所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，步骤A中，向试模中浇筑拌合料前，用脱模剂涂刷试模内侧面和由承件板形成的试模底板面；步骤B中将砂袋(6)通过砂袋卡环(3)分别和储砂罐(1)、上压板(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，脱去试模后，在所述环境箱(16)中设置数据采集单元和自动控制单元，所述数据采集单元包括载荷传感器(13)、倾角仪(20)和位移传感器(21)，所述载荷传感器(13)设置在承件板(11)下方，所述倾角仪(20)设置在上压板(9)上，所述位移传感器(21)的数量为多个，位移传感器(21)位于试件的侧部；
所述自动控制单元包括控制器(18)，载荷传感器(13)、倾角仪(20)和位移传感器(21)均连接至控制器(18)，所述漏砂嘴(5)上设置有流量阀(17)，所述控制器(18)连接流量阀(17)。
4.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，步骤C中，封闭环境箱(16)后，操作自动控制单元，将载荷传感器(13)的载荷值归零。
5.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，步骤D中，在储砂罐(1)内的砂粒下落前，将上压板(9)接触试件上表面，当载荷传感器(13)有荷载值时可再次使荷载示值归零，并开启流量阀(17)；或在步骤C中封闭环境箱前使上压板(9)接触试件上表面。
6.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，使用载荷传感器(13)、倾角仪(20)和位移传感器(21)分别采集累积打印层模拟单元的载荷值、上压板(9)的倾角值和试件四个侧面的横向和竖向变形值并由自动控制单元进行实时保存，控制器(18)根据载荷值控制流量阀(17)释放砂粒的多少。
7.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，所述累积打印层模拟单元还包括伺服动力源(8)和升降柱(4)，所述伺服动力源(8)设置在环境箱(16)内部的下方，伺服动力源(8)连接控制器(18)，所述升降柱(4)设置在伺服动力源(8)上并与伺服动力源(8)连接，升降柱(4)上端通过支架(2)连接储砂罐(1)。
8.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，所述累积打印层模拟单元还包括立柱(28)、卷扬机(29)和吊绳(30)，所述立柱(28)设置在环境箱(16)内部的下方，立柱(28)上端设置卷扬机(29)，卷扬机(29)连接控制器(18)，卷扬机(29)通过吊绳(30)传动连接储砂罐(1)。
9.根据权利要求3所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，所述自动控制单元还包括环境调控机组(14)，所述环境调控机组(14)包括温度传感器、湿度传感器、温度变送器、蒸发器、加热装置、制冷装置、雾化器和风机，环境调控机组(14)与控制器(18)连接，环境调控机组用于检测和控制环境箱内的温、湿度。
10.根据权利要求1所述的一种测试3D打印混凝土可建造性的测试方法，其特征在于，
所述倾角时变率θt为单位时间△t内打印层倾角的变化量△θ(t)，计算式如式(1)：
被测试件的倾角时变率θt越小，表示3D打印混凝土拌合料的可建造性越好，在打印宽度较小的情况下可打印更大高度而不产生倾斜倒塌；
所述试件的尺寸时变率△Dt为被测试件经打印一定时间后的尺寸时变率△D，计算式如式(2)：
△Dt＝abc/t (2)
式中，a，b，c分别为沿试件x、y和z三个方向的变形率：a＝△x/x，b＝△y/y，c＝△z/z，t为经历的时间，min；
△Dt的值越小，试件的体积越稳定，代表3D打印混凝土拌合料的可建造性越好。
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