分析3D打印水泥材料的新鮮混合性能

來源：廣西增材制造協(xié)會

導讀：摩根·克里斯汀·詹金斯（Morgan Christen Jenkins）最近向弗吉尼亞理工大學提交了碩士論文“增材制造的膠凝材料的新鮮混合特性和具有數(shù)字圖像相關性的撓曲分析 ” ，重點研究3D打印材料以及這種令人難以置信的創(chuàng)新技術如何適合現(xiàn)代民用基礎設施應用。由于需要更好的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，Jenkins希望解決標準化測試和評估問題，并探索當今使用水泥材料時遇到的典型挑戰(zhàn)。

詹金斯（Jenkins）展示了土木工程中3D打印的一幅精妙圖景，指出許多項目圍繞“可演示性”而不是真實的現(xiàn)實進行，缺乏對未來結果可能涉及設計、耐用性和容量。有了改進的測試方法，不僅可以更好地確保設計中的安全性和長期使用，而且用戶還將有更大的潛力享受增材制造的好處和成功。

3D打印的混凝土墻和柱

3D打印水泥在建筑行業(yè)中的使用（尤其是為可持續(xù)發(fā)展的住房以及其他以混凝土板，與機器人集成等部件為特征的項目）已被充分記錄在案，因為這種技術具有巨大的優(yōu)勢如：
· 加快構建速度并提高效率
· 提高準確性
· 減少材料浪費
· 模板成本更低
· 減少了對體力勞動的需求（因此，減少了工地受傷的風險）

同時，挑戰(zhàn)包括：
· 有關新鮮混合料性能的“不同要求”
· 缺乏真正的質(zhì)量控制標準
· 由于材料性能強度下降而產(chǎn)生劣質(zhì)材料和零件的可能性
隨著水泥的3D打印在過去十年中（尤其是最近幾年）的持續(xù)流行，已使用了許多方法：
詹金斯說：“例如，材料擠出和粘結劑噴射（也稱為粒子床熔合）是3DCP的兩種AM工藝�！� “使用哪種工藝的差異可以改變在質(zhì)量保證/質(zhì)量控制期間需要考慮哪些參數(shù)。但是，材料擠壓工藝一直是3DCP最常用的增材制造方法�！�

Jenkins繼續(xù)關注在AM過程中，尤其是在硬件和軟件、混合設計、文檔設計以及測試中使用混凝土方面缺乏一致性。

精煉混合設計以滿足所需AM性能的迭代過程

Jenkins指出：“記錄過去，現(xiàn)在和將來的研究過程、材料、測試方法等，可以通過使用膠結材料來解決AM的持續(xù)發(fā)展�！�

本研究的樣本是使用“天空大面積增材制造（SkyBAAM）”系統(tǒng)創(chuàng)建的。第一階段的測試在田納西大學（UTK）的工廠進行，第二階段的測試在Virginia Tech（VT）的工廠進行。

噴嘴擠壓圖

橡樹嶺國家實驗室還創(chuàng)建了一種混合設計，用于本研究中的所有樣品和測試，以配合SkyBAAM過程。

在第一階段，測試了八個樣本，所有樣本“在加載后一到兩分鐘內(nèi)迅速失效”。研究人員將其歸因于較高的裝載率，將來需要對其進行更改。

“基于第一階段的初步結果，樣品制備工作得以開展；但是，負載率極高，沒有根據(jù)每個梁的寬度和高度進行調(diào)整。此外，僅找到破裂模量并不能提供太多有關載荷如何在層之間分配或轉移的信息。”詹金斯解釋說。

視覺上可接受的打印產(chǎn)品

“方向B最初似乎勝過方向A，但由于高標準43偏差，均值在統(tǒng)計學上沒有差異。由于高加載速率和不確定的結果，需要進一步研究。特別是，需要進一步研究，包括缺陷如何影響每個方向的性能�！�

標準批0.75 ft3砂漿的混合比例

在第二階段中，使用了三種方法進行評估：流動性、凝固時間和早期抗壓強度-表明在3D打印中使用各種砂漿的功效。詹金斯指出，“當測量和考慮骨料的水分狀況時，其性能變化較小�！� 在第1組和第2組之間，天然砂的排放量也減少了67％。人造砂的排放量減少了71％。詹金斯建議，用于制造復合材料的混合物應考慮水分問題，以實現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。

詹金斯總結說：“對于這項研究，使用最小單位重量為132 pcf能夠定性地區(qū)分具有明顯缺陷的標本，這些缺陷與觀察結果和測試前的注意事項密切相關�！� “例如，在單位重量小于132 pcf的組和單位重量大于132 pcf的組之間，斷裂模量B的方向增加了86％，標準偏差減小了68％。進一步表明需要實施質(zhì)量保證/質(zhì)量控制措施；但是，對于90 MPa，132 pcf可能不是相同的截止點，對于基于擠壓技術的每個不同的3DCP系統(tǒng)，它可能會發(fā)生變化�！�

“對于3D打印混凝土結構的實現(xiàn)，由于復合材料的各向異性，強烈建議設計是荷載定向的函數(shù)。”