3D打印砂漿經(jīng)時變形-承載力測試裝置的開發(fā)及應(yīng)用

唐濤 蔡禮雄 柳苗 韓文彬

（1湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心；2華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 前言

自20世紀(jì)80年代以來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，以3D打印為基礎(chǔ)的3D打印建造技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1－2]。其數(shù)字化、自動化的獨(dú)特建造方式，不僅可以大幅度地降低勞動力需求，還能夠提高施工速度，從而減少35%～60%的施工成本，這將帶來建筑發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折。

3D打印建造技術(shù)是一種以三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過打印機(jī)噴嘴進(jìn)行混凝土擠出、堆積、逐層打印，進(jìn)而生成三維實(shí)體的快速成型技術(shù)，是“增材制造”的一種方式[3-4]。3D打印材料是3D打印建造技術(shù)的核心。傳統(tǒng)砂漿工作性能的表征主要通過測試其流動性、凝結(jié)時間以及力學(xué)性能來完成，而3D打印材料還需滿足可擠出性及可建造性的要求。材料的擠出性包括通過輸料管連續(xù)輸送的能力和通過打印噴嘴進(jìn)行塑型的能力。建造性是評估混凝土3D打印材料性能的另一個關(guān)鍵參數(shù)，即材料在自重和上層壓力作用下保持其擠出形狀的能力以及沉積的材料在負(fù)載下抗變形能力[3]。

本文擬測量材料的經(jīng)時變形-承載力的變化來表征砂漿的可建造性，經(jīng)時變形即砂漿隨時間變化產(chǎn)生的變形，而砂漿的承載力則是其在荷載作用下表現(xiàn)的承載能力。

目前，在進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)時，模型較為理想化，沒有考慮打印材料的變形及承載力。在打印過程中，打印第一層圖案的砂漿隨著打印過程的持續(xù)形成一定的強(qiáng)度并在自身重力作用下產(chǎn)生形變，打印圖形的形狀會產(chǎn)生部分變化，在進(jìn)行第二層及多層打印后，下層砂漿除了經(jīng)受自重作用力，還要受到上層砂漿的壓力作用，因而產(chǎn)生多次形變，其承載力隨著時間的推移不斷增大；在打印完成后，由于多次形變累積，物體的實(shí)際打印形狀會產(chǎn)生極大的偏差，這使得物體的實(shí)際打印高度及形狀達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而影響其使用價(jià)值。

從工藝設(shè)計(jì)來說，結(jié)合材料的承載力及變形量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，可使模型設(shè)計(jì)趨于完美，還有助于3D打印建造工藝的改良控制，打印出更理想的三維實(shí)體；從實(shí)際打印角度來說，材料經(jīng)時承載力及變形量的定量檢測不僅能改善目前3D打印實(shí)體質(zhì)量不可控的困境，還有助于在打印過程中定量制備打印材料，減少打印完成后材料剩余產(chǎn)生的浪費(fèi)及污染問題。此外，材料經(jīng)時承載力及變形量的定量檢測可為研究人員開發(fā)保持自體形狀的新型打印材料提供條件。

劉巧玲等模擬3D打印建筑擠出方式測試打印砂漿堆積性能[5]，但由于其測試時采用了手動擠出，速率及壓力無法保持一致，勢必會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。李志鵬等公開了一種能精確測定任意層3D打印混凝土材料的橫、豎向變形值的裝置[6]，但其只能測量材料在自重作用下的變形，且無法準(zhǔn)確反應(yīng)承載力與變形量的關(guān)系。倪坤等利用液體自重加荷測量了新拌砂漿的承載力及相應(yīng)加荷方向的位移變化[7]，但其在注入液體時產(chǎn)生的波動會影響結(jié)果的測量。王仲漢等采用模擬壓片擠壓待測漿打料的方法測試了漿料的承載力及形變量[8]，但其存在數(shù)據(jù)量很少，且無法保證承載力及變形量變化的連續(xù)性。元強(qiáng)等完全模擬實(shí)際打印情況，研究了打印過程中的變形及層間打印間隔時間對建造性的影響[9]，能準(zhǔn)確測量漿料的變形率，但忽略了漿料的承載力的測量。

綜上所述，當(dāng)前3D打印材料經(jīng)時承載力及變形量的測量方法尚不成熟，且存在無法兼顧測量承載力及變形量、加壓方式不合理、測量不連續(xù)及數(shù)據(jù)量少等問題。本文使用彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)對砂漿的經(jīng)時變形-承載力進(jìn)行表征，并提出了一種3D打印砂漿經(jīng)時承載力及變形量自動測試裝置。

1 3D打印砂漿制備與測試方法

要打印出理想的三維實(shí)體，對材料性能的了解必不可少。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的3D打印砂漿材料測試砂漿的凝結(jié)時間。3D打印砂漿配合比見表1。

表1 3D打印砂漿配合比

砂漿的凝結(jié)時間關(guān)系著3D打印建造的工藝設(shè)計(jì)及打印操作，本文根據(jù)建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法（JGJ 70-90），利用砂漿凝結(jié)時間測定儀測試了3D打印砂漿的凝結(jié)時間。測試結(jié)果見表2。

圖1 砂漿凝結(jié)時間測定儀

表2 砂漿凝結(jié)時間

基于砂漿的凝結(jié)時間，本文設(shè)計(jì)了不同的時間點(diǎn)來檢測砂漿的經(jīng)時變形及其承載力變化，如表3。

表3 基于凝結(jié)時間的經(jīng)時變形-承載力檢測時間點(diǎn)設(shè)計(jì)

2 經(jīng)時變形-承載力標(biāo)準(zhǔn)試件制備及測試

2.1 成型模具設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)試件制作

由于3D打印砂漿需要具備良好的流動性，因而在拌合初期砂漿不易成型[10]。楊錢榮等提出一種測量3D打印建筑砂漿塑性變形性能的模具，模具的側(cè)面結(jié)構(gòu)由三塊板材圍成，底面則由另一端板構(gòu)成，側(cè)面與底面共同構(gòu)成一槽形結(jié)構(gòu)，通過在中間位置插入一板材把整個模具分割成兩部分，此模具可以用來表征3D打印建筑砂漿的側(cè)向變形度以及下垂度，為本文測試砂漿變形-承載力提供了一定基礎(chǔ)[11]。

在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出一種測量3D打印砂漿的變形-承載力的成型模具，模具內(nèi)部為直徑10cm、高10cm的圓柱體，如圖2。

圖2 成型模具（左）及標(biāo)準(zhǔn)試件（右）

在3D打印砂漿變形-承載力測試制樣時，其具有易于成型、便于脫模的優(yōu)點(diǎn)。將攪拌均勻的待測砂漿分三次裝入成型模具，并進(jìn)行搗實(shí)，后靜置至測試時間點(diǎn)，拆模得到如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)試件。

2.2 經(jīng)時變形-承載力手動測試

依據(jù)設(shè)計(jì)的測試時間點(diǎn)（表3），本文試采用彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)測量新拌砂漿的經(jīng)時變形-承載力，如圖3所示。

圖3 彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)

測試過程及結(jié)果表明（圖4），彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)可用于定性分析砂漿的變形量以及承載力，測試結(jié)果呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。但是，由于該設(shè)備采用人工加壓，加壓速率及壓力大小不可避免會產(chǎn)生變化，從而使采集的數(shù)據(jù)值出現(xiàn)波動，且數(shù)據(jù)的連續(xù)性不足，結(jié)果很難用于對變形量與承載力進(jìn)行定量分析。此外，測試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備還存在采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少的問題。為此，急需一種測量變形-承載力的自動裝置。

圖4 手動測試下砂漿承載力-形變曲線

2.3 自動測定裝置設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有裝置無法兼顧測量承載力及變形量、加壓方式不合理、測量不連續(xù)及數(shù)據(jù)量少等問題，本文通過引入配電箱、顯示器、控制面板等裝置來解決上述問題。

1）金屬配電箱：內(nèi)部見圖5。

圖5 金屬配電箱

2）顯示器：具有長期穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)采集速率高達(dá)80次/S的優(yōu)點(diǎn)，測量精度為0.1%，隨時掌握測試情況，解決了數(shù)據(jù)采集量較少的問題。

圖6 傳感器

3）控制面板：針對加壓速率不恒定的問題，本文通過控制面板調(diào)整加壓速率，且加壓速度靈活可調(diào)，范圍0.1mm/s～40mm/s，易于操控，避免了手動加壓帶來的速率及大小不均的不足；此外，還便于試樣的連續(xù)測量，保證了測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖7 控制面板

4）伺服電動缸：伺服電機(jī)和電動缸的傳動絲桿直接相連，伺服電機(jī)的編碼器直接反饋電缸移動活塞的位移量，減少了中間環(huán)節(jié)的慣量和間隙，提高了控制性和控制精度，能精確測量試樣在荷載作用下的變形量。

圖8 伺服電動缸

5）微型壓點(diǎn)傳感器：此傳感器采用輪輻式彈性體拉式結(jié)構(gòu)，具有低外形、抗偏載、精度高、強(qiáng)度好、壓力輸出對稱性好等特點(diǎn)，使砂漿試樣能均勻受力，從而使測試數(shù)據(jù)更加精確。

圖9 微型壓點(diǎn)傳感器

圖10 經(jīng)時變形-承載力自動測試裝置

圖10是設(shè)計(jì)的一種能同時測量和穩(wěn)定自動加載、連續(xù)測量且能大量采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的砂漿經(jīng)時變形-承載力的測試裝置。

2.4 經(jīng)時變形-承載力測試方法

利用設(shè)計(jì)的自動測試裝置檢測砂漿的經(jīng)時變形-承載力，分為以下3個步驟：

1）傳感器復(fù)位，并在空載狀態(tài)下對顯示器進(jìn)行調(diào)零校正；

2）利用設(shè)計(jì)的模具制作標(biāo)準(zhǔn)試件，并靜置至設(shè)計(jì)的時間點(diǎn)，后拆模并在試件上方放置一平面板塊；

3）根據(jù)需要，利用控制器設(shè)置好加壓速率，以穩(wěn)定的速率加壓，同時采集實(shí)時測試數(shù)據(jù)。

圖11 經(jīng)時變形-承載力測試

3 結(jié)果與分析

利用自動測試裝置對表1中各組砂漿的經(jīng)時變形-承載力進(jìn)行測試，測試時間點(diǎn)見表3，采集了大量精確且連續(xù)的數(shù)據(jù)。與手動測試相比，測試過程中可以根據(jù)需要選擇合適的加壓速率進(jìn)行連續(xù)測試，采集大量數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了手動測試壓力不均、加壓速率不穩(wěn)定且采集數(shù)據(jù)過少的缺陷。自動測試條件下，承載力-形變曲線變化趨勢平滑，顯示出了極強(qiáng)的規(guī)律性，客觀揭示了砂漿經(jīng)時變形-承載力的關(guān)系。

圖12 自動測試下砂漿承載力-形變曲線

4 結(jié)論

綜上所述，利用彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)對砂漿的經(jīng)時變形-承載力進(jìn)行表征，有助于定性分析承載力和變形量的關(guān)系，但因其測試手段的缺陷，不利于定量分析兩者的關(guān)系。借助本文所設(shè)計(jì)的砂漿經(jīng)時變形-承載力測試裝置，可克服加壓速率及大小的不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集量小且無法兼顧承載力與變形量的問題，其結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)砂漿的經(jīng)時變形-承載力變化，有助于砂漿經(jīng)時變形-承載力定性和定量分析。