无锡3D打印

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3D打印水泥基材料的测试研究

更新时间: 2019-09-16 16:21:23  查看次数: 18    

英国拉夫堡大学的T.T.Le等人选用标号为52.5Ⅰ型水泥、粉煤灰、未致密化的硅灰作为胶凝材料部分,粒径为2mm砂子,聚羧酸减水剂,亚甲基磷酸酯、柠檬酸做为缓凝剂,硫化物、铝盐、二乙醇胺作为促凝剂,和长为12mm直径为0.18mm的聚丙烯微纤维做为打印材料;针对所提出的4个打印指标提出了相应的测试方法:可挤出性能测试方法,使用打印机连续挤出五组丝状的水泥条,长度均为300mm,由打印的连续性判断该材料是否具有可挤出性;工作性能测试方法,采用叶片剪切装置(shearvaneapparatus)测试剪切应力的变化,这种测试方法可以更为科学的测试材料的流变性能;打印时间的测试方法,通过叶片剪切装置测量剪切应力随着时间的变化(即工作性能随时间的变化),实验发现打印材料剪切应力从最初值增长了0.3KPa的这段时间内具有可挤出性,将这段时间作为材料的打印时间;可堆积性能的测试方法,以挤出堆积后形状不发生变化的堆积层数为可堆积性能的指标参数。


T.T.Le等人对采用水泥基材料打印制作而成的构件进行了强度等性能方面的测试实验,测试的对象分为模具成型和打印成型两种,其中打印成型试块是从打印好的构件上按照100×100×400mm和100×100×100mm的尺寸切割而成,对打印试块的密度、抗压强度、抗折强度、抗拉强度、孔隙率以及干收缩等性能做了测试实验,其中在对抗压、抗折性能测试时,考虑到所采用的打印工艺是将一条一条的水泥条沿一定方向堆积起来成型,会存在着力学性能的各向异性,因此需要对三个不同的成型面进行抗压强度测试和抗折强度测试;实验发现了因为挤压过程造成了打印成型的试块密度要高于模具成型试块的密度;挤出的水泥条间的孔隙率及孔结构对于打印构件的强度有很大的影响,在层与层之间存在的孔结构使强度的损失高达20%;由于打印构件属于无模成型,因此增加了材料有空气的接触面积接触时间的增加,从而增加了材料开裂的风险,不同成型面的抗压强度也不尽相同。


ArnaudPerrot等人将T.T.Le测试可堆积性的方法通过用数学公式进行计算得到。为了验证该公式的准确性进行了模拟实验,所选用的材料为标号为52.5Ⅰ型水泥、石灰粉、高岭土、粉状聚羧酸减水剂。在堆积过程中最底层受力最大,因此以堆积打印的最下一层为研究对象,方法是采用一个直径为60mm、高为35mm的水泥圆柱为打印堆积最下层的替代品,对其施加垂直压力研究形变量。将成型后的圆柱放在两个平行板之间,对上面的板每隔一定时间段施加定量的力,记录下每施加一次力后上平板的下降距离,当圆柱体表面出现破裂并且上平板的下降速度明显增加则实验结束,由此可以得出打印终止的时间和最下层所能承受的最大压力。TonyDiCarlo采用新型的Plate-Stacking实验和MortarLayeringArtifact实验对打印材料的可堆积性提供了更直观的测试方法。


乔星宇等人选用了标号为42.5R的硅酸盐水泥,粒径为0.25-0.5mm的中砂作为细骨料,粒径小于5mm的石子作为粗骨料,加入了速凝剂、缓凝剂、减水剂和碳纤维。研究了调凝剂对水泥基材料凝结硬化时间的影响,碳纤维对水泥砂浆的抗拉强度和抗剪切强度的影响,实验发现水泥砂浆抗压、抗剪切强度随碳纤维掺量的增加而提高。范诗建等人提出使用具有凝结时间短,粘结强度高和超高抗压强度性能的磷酸镁水泥作为建筑3D打印的材料。蔺喜强等人考虑到普通硅酸盐水泥无法满足3D打印材料在短时间内快速凝结、早期强度高的要求,选用的胶凝材料为42.5R快硬硫铝酸盐水泥,20-40目的粗骨料、40-70目的机制尾矿砂,减水剂为聚羧酸PC减水剂,为了控制凝结时间采用了缓凝剂以及促凝剂,并用触变剂、纤维素醚、纤维等材料制备复合体积稳定剂,保证了打印材料的可塑性、稳定性和保持形状体积稳定的性能。实验研究了掺加不同掺量的促凝剂、缓凝剂对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响,从而得到可以将凝结时间控制在10min-1h内的硫铝酸盐水泥基打印材料。


华中科技大学李璇选用的材料有42.5R硅酸盐水泥,细度模数为2.3的砂子,磺化三聚氰胺树脂高效减水剂,无水硫酸钠早强剂,葡萄糖酸钠缓凝剂,利用正交试验方法得到了流动度在160-170mm可以基本满足3D打印要求的水泥基打印材料;再通过调节水灰比、胶砂比、减水剂掺量、早强剂掺量、缓凝剂掺量研究流动度经时变化规律和对强度的影响规律,进而得到一组最佳的水泥基打印材料配合比;运用平板载荷试验测试了水泥基材料的塑性承载力,其方法是将不同数量的砝码加载在已成型的圆柱体试样上,记录下所加载的砝码数量和针入度仪显示的试样变形尺寸,从而得到关于载荷和形变量的P-S曲线,再利用线性拟合得到拟合方程,通过设定允许的形变量ΔS,从而得到单层水泥材料的最大载荷量;并利用P-S曲线估算出材料的每一层在施工后的压缩变形量,然后将每一层的变形量加和在一起即为整个打印构件的变形量。除此之外,一些关于3D打印水泥基材料的专利,选用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、掺合料以及各种不同功能的化学外加剂作为原料,得到可用于3D打印建筑的水泥基复合材料。


从国内已发表的文章看,高校主要集中在技术应用综述和相关理论研究,企业单位主要集中于工程技术的实施应用,关于材料本身的性能并未做出系统性的研究方法。就目前国内的研究情况看来,用于建筑3D打印技术的水泥基材料以硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥为胶凝材料、骨料、活性掺合料、减水剂、调凝剂、体积稳定剂、触变剂以及纤维等为主。测试方法主要集中于对流动度、凝结时间、强度等性能的测试。