螺旋葉片幾何形狀對3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響

來源：智慧土木

研究背景

近年來，3D打印技術（也叫增材制造）在世界各地的許多領域都得到了研究和發(fā)展。在民用建筑行業(yè)中應用最廣泛的增材制造技術是基于擠壓的3D打印混凝土。基于擠壓的3D打印混凝土技術具有不需要模板、工程成本低、提高施工人員的安全、建筑風格更自由等諸多優(yōu)勢。然而，3D打印混凝土施工也有缺點。例如，可能需要添加緩凝劑，使混凝土易于擠出，但在成型過程中也可能需要添加速凝劑，使新形成的混凝土結構不會坍塌。也就是說，在不同的施工過程中，對打印材料的要求是不同的。而這些要求，比如可擠壓性和可施工性，有時是相互矛盾的。當3D打印水泥砂漿含水率高、粘聚力低時，其擠出性容易滿足，但打印結構容易坍塌。但如果3D打印水泥砂漿含水量低，粘聚力高，則打印結構相對穩(wěn)定，但水泥砂漿可能不會被擠出。可打印混合料是否具有良好的可擠壓性和可建造性，取決于可打印混合料的流變性能。也就是說，如果混合料具有適合給定打印參數(shù)的適當流變性能，無論螺旋葉片幾何形狀如何，混合料應是可擠出的。然而，攪拌機（包括葉片幾何形狀和攪拌方法）會影響混凝土混合料的流變性能，進而影響其擠出性。
來自同濟大學結構工程系肖建莊課題組的研究人員在《Automation in Construction》期刊上發(fā)表了”Effect of spiral blade geometry on 3D-printed concrete rheological properties and extrudability using discrete event modeling“一文，系統(tǒng)探討了螺旋葉片幾何形狀對3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104199

研究出發(fā)點

在過去的十年里，已經(jīng)開發(fā)了相當多的實驗和數(shù)值技術，分析了葉片幾何形狀對混凝土攪拌的影響。然而，對3D混凝土打印機葉片形狀效果的研究還很有限。由于混凝土的非均質性，如何在有限的數(shù)據(jù)基礎上充分考慮材料性質，生成相對完整的離散元模型，是相關研究面臨的最大挑戰(zhàn)�；�于此，本文研究了螺旋葉片幾何形狀對3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響。

研究內(nèi)容

螺旋葉片的尺寸和形狀對3D打印混凝土施工有很大的影響。本研究旨在回答兩個研究問題：螺旋葉片幾何形狀如何影響3D打印混合物的流變性能？3D打印混合料的流變性能對最終擠出性能有什么影響？本文采用顆粒與液體橋結合形成的離散元模型，主要討論了葉片半徑、螺桿半徑、葉片層數(shù)和葉片轉速對打印噴嘴處顆粒流擠出速度的影響。為了研究3D打印過程中顆粒流與葉片幾何形狀之間的復雜相互作用，利用開源軟件YADE建立了虛擬3D打印機。泵葉片的尺寸、形狀、轉速等參數(shù)會影響混凝土混合料的流變性能，進而影響其可擠出性。因此，在改變泵葉片尺寸、形狀和轉速的情況下，計算和分析了顆�；�混凝土材料在打印噴嘴處的流速。

圖1 三種不同類型的葉片圖像：(a) 刀片在3D打印機中的位置；(b) 無軸螺旋葉片；(c) 帶軸的螺旋葉片；(d) 連續(xù)螺旋葉片

圖2 兩個粒子之間的液體橋：(a) 配置；(b) 液橋的粘聚距離關系

圖3 3D混凝土打印俯視圖，不同轉速分別為21.5 rpm、25.0 rpm、32.5 rpm、42.5 rpm、50.0 rpm

圖4 3D打印混凝土擠出不同角速度：(a) 側視圖；(b) 俯視圖；(c) 顆粒流速分布

圖5 采用不同葉片尺寸的設備擠出3D打印混凝土：(a)側視圖；(b)噴嘴顆粒速度分布

主要結論

本文采用顆粒與液體橋粘結形成的離散元模型，分析了3D打印機刀片尺寸、形狀和轉速對水泥基材料可擠出性的影響。利用開源軟件YADE進行混凝土擠壓3D打印仿真。通過一些數(shù)值實驗，得出以下結論，為這兩個研究問題提供參考。

1.   液體橋γ的表面張力對3D打印混合料的流變性能有顯著影響。結果表明：對于無螺旋葉片的3D打印混凝土，當液體表面張力γ從1.4 N/m增加到2.9 N/m時，條寬噴嘴直徑比從1.5減小到1.0；而對于螺旋葉片3D打印混凝土，當液體表面張力γ從2.0 N/m增加到9.0 N/m時，條寬-噴嘴直徑比從1.8減小到1.0。

2.   3D打印機刀片尺寸、形狀和轉速對水泥基材料擠出性能的隨機影響是不可忽視的。結果表明：當葉片轉速從10 rad/s變化到50 rad/s時，噴嘴處的平均擠出速度變化范圍為12%左右，標準差為71%左右。當螺桿半徑從0.01 m變化到0.03 m時，平均擠出速度在噴嘴處的變化范圍為3%左右，標準差為26%左右。當3D打印機刀片層數(shù)由1.0改變?yōu)?.5時，噴嘴處平均擠出速度變化約為6%，標準差變化約為47%。當葉片半徑由0.1 m調(diào)整到0.125 m時，噴嘴處的平均擠出速度變化量約為24%，標準差變化量約為69%。

綜上所述，通過一系列的統(tǒng)計分析，表明螺旋葉片的幾何形狀對3D打印混合料的流變性能有相當大的影響。此外，3D打印混合料流變特性的隨機效應對最終擠出性能的影響也不容忽視。因此，螺旋葉片幾何形狀對3D打印混凝土混合料最終擠出性能的間接影響應得到高度重視。雖然所提出的方法合理地考慮了液體橋的表面張力，但如何進行自主量化仍具有挑戰(zhàn)性，特別是在3D打印施工過程中特征隨時間變化時。因此，未來的研究應集中在如何改進所提出的方法，使自主式液體橋張力更具可控性。