Compos. Struct.：基于流動(dòng)的連續(xù)纖維擠壓成型水泥基復(fù)合材料及增材制造

來(lái)源：智慧土木

水泥基材料如混凝土和砂漿因其良好的耐久性和經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。但由于抗拉強(qiáng)度較低，通常采用抗拉材料增強(qiáng)，以產(chǎn)生具有合適力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)，即良好的抗彎性和延展性。建筑行業(yè)的一個(gè)特殊的方面是規(guī)范和約束的高度可變性，這使許多建筑、基礎(chǔ)設(shè)施和其他建筑成為獨(dú)特的部分。傳統(tǒng)的混凝土制造方法隨著這種可變性而發(fā)展，生產(chǎn)具有各種加固方式的定制結(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的方法是在現(xiàn)場(chǎng)將混凝土澆注到模板中，在模板中放置鋼筋來(lái)加固硬化的混凝土。

數(shù)字混凝土制造有望通過(guò)自動(dòng)化帶來(lái)的好處解決這種對(duì)可變性的需求，特別是提高生產(chǎn)效率和降低建造公差。傳統(tǒng)建筑更適合簡(jiǎn)單的形狀，因?yàn)槟０宄杀倦S著復(fù)雜性的增加而增加，與澆筑相比，3D打印不需要使用模板，打印過(guò)程提供了打印結(jié)構(gòu)形狀的自由，優(yōu)化了材料的使用，減少材料成本。在實(shí)踐中，3D打印通常是通過(guò)機(jī)器擠壓實(shí)現(xiàn)的。它們由機(jī)械臂泵送和屈服應(yīng)力流體（如混凝土）逐層沉積組成。然而，擠壓型混凝土迄今為止大多仍未能夠增強(qiáng)，因此不適應(yīng)大多數(shù)經(jīng)典應(yīng)用。

研究出發(fā)點(diǎn)

絕大多數(shù)基于擠壓的混凝土增材制造應(yīng)用都是無(wú)鋼筋砂漿，然而，未加鋼筋砂漿的脆性較高、抗拉強(qiáng)度較低，一般不滿足要求，3D打印混凝土中鋼筋的缺乏嚴(yán)重限制了其工業(yè)發(fā)展。基于此，本文介紹了一種受擠壓型復(fù)合材料制造方法啟發(fā)的新型增強(qiáng)方法——基于流動(dòng)的擠壓成型(FBP)。

研究?jī)?nèi)容

本文介紹了一種受擠壓型復(fù)合材料制造方法啟發(fā)的新型增強(qiáng)方法——基于流動(dòng)的擠壓成型(FBP)，其原理是連續(xù)的纖維粗紗被水泥基體流動(dòng)浸漬和牽引，避免了機(jī)械化，并增加了砂漿的表觀屈服應(yīng)力，從而提高了其可行性。硬化后的材料是單向均勻增強(qiáng)的各向異性混凝土，對(duì)于這種復(fù)合材料，配筋率是一個(gè)重要的材料參數(shù)，它與特定的工藝變量（粗紗類型、粗紗數(shù)量和輸出直徑）有關(guān)。從改善力學(xué)性能的角度來(lái)看，關(guān)鍵在于理解配筋率如何受到工藝流程和技術(shù)約束的限制，以及最大配筋率是多少。本文研究了提高配筋率對(duì)工藝流程和技術(shù)要求的影響，并提出了第一個(gè)解決這些問(wèn)題的技術(shù)指標(biāo)。

圖1 比較基于流動(dòng)的擠壓成型與現(xiàn)有的無(wú)增強(qiáng)增材制造工藝的模式：擠壓邊成形(ELS)和定向邊壓制(OLP)

圖2 3d打印各向異性混凝土

圖3 材料參數(shù)的配筋率與工藝流程和工藝要求之間的關(guān)系

圖4 根據(jù)壓降和輸出直徑，在10到100粗紗范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)比率圖

主要結(jié)論

介紹了一種應(yīng)用于混凝土3D打印的新型加固工藝——基于流動(dòng)的擠壓成型加固技術(shù)和工藝規(guī)范。該工藝的目標(biāo)是為混凝土增材制造提供一種有效的加固方法，能夠達(dá)到高水平的加固(2-10%)，以獲得良好的力學(xué)性能。主要的結(jié)論如下：

1.  描述了第一個(gè)基于流動(dòng)的擠壓實(shí)驗(yàn)裝置的技術(shù)，采用400 Tex玻璃和玄武巖粗紗進(jìn)行的第一次試驗(yàn)驗(yàn)證了理論框架和技術(shù)；

2.  研究了配筋率對(duì)屈服應(yīng)力、壓降和速度效應(yīng)等工藝參數(shù)的影響，為可操作的、高效的基于流動(dòng)的加壓工藝提出了第一個(gè)技術(shù)指標(biāo)和配比：使用目前的設(shè)備和粗紗，加固率可以達(dá)到2%，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，理想情況下可以達(dá)到20%；

未來(lái)的工作將繼續(xù)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)工藝，以調(diào)查流動(dòng)擠壓成型的潛力，以及3D打印工藝本身的新可能性。事實(shí)上，大幅度增加新拌邊的相容性，即使是很少的纖維(0.2%)，也能夠提供一個(gè)更好的掌控，避免打印期間的崩塌和堵塞效應(yīng)。