基于不同参数的3D打印混凝土基础性能试验研究

作     者：商雨晴 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马巍

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：3D打印混凝土 试验研究 性能分析 各向异性 

摘      要：3D混凝土打印技术虽然在建筑领域得到了一定范围的研究和运用,但是,目前制约其发展的关键问题在于缺少既具有良好的打印性能又具有足够力学性能的高强度和高延展性材料。本文结合安徽建工三建集团有限公司合肥理工学院施工项目,基于异形复杂混凝土构件的3D混凝土模板需求,开展不同参数的3D打印混凝土基础性能试验研究。 1.研究在实际施工环境下3D打印混凝土(3D Printed Concrete,3DPC)掺入硫铝酸盐水泥(Sulphated Aluminium Cement,SAC)的最佳比例,测试在不同环境温度下3DPC掺入不同比例的SAC的凝结时间,对应春夏秋冬的施工温度下的凝结硬化情况,得到凝结时间的变化规律并选取适宜SAC比例。结果表明:在冬季施工时,40%以下掺量的SAC并不能满足要求;在春秋季施工时,SAC最佳掺量为30%;当夏季施工时,SAC最佳掺量为15%—25%。 2.研究3DPC中掺入不同比例的SAC的流动性能随时间变化规律和不同龄期的力学性能,测试3DPC中掺入不同比例的SAC的初始、经时流动度及粘聚高度,并通过经时流动度及其经时流动损失推导符合打印需求3DPC的初始流动度范围,测试SAC不同掺量下的3DPC的早期及后期力学性能。结果表明:当SAC掺量15%—30%时,3DPC均能满足流动性能要求;3DPC的力学性能在SAC掺量为10%时,其28d抗压和抗折强度达到最高分别为33.4Mpa、3.92Mpa,而后在SAC复掺比例为35%时,抗压和抗折强度降到最低。 3.研究矿物掺合料硅灰、可分散性乳胶粉、偏高岭土对3DPC凝结时间、流动性能及力学性能的影响规律,通过正交试验的方法测试硅灰、可分散性乳胶粉、偏高岭土三个因素水平下3DPC的凝结时间、流动性能及力学性能。研究表明,硅灰对拌合物初凝时间以及开放时间、早期抗压强度影响程度最大;胶粉对拌合物初始流动度及初始粘聚高度影响程度最大;偏高岭土对拌合物后期抗压强度影响程度最大。 4.研究聚丙烯腈纤维(Polyacrylonitrile fibers,PANF)对3DPC的流动性能、力学性能和微观形貌的影响并得到PANF的最佳长度及体积掺量。试验测定了掺入不同长度及体积掺量PANF的3DPC的流动性能、力学性能,分析不同配比下的挤出表观质量,并观察PAN纤维混凝土的微观形貌。研究表明:PANF最佳长度和体积掺量分别为12mm、0.1%,该配比下的流动度为167mm;通过扫描电镜(SEM)成像发现,PANF混凝土内部孔隙率较大且PANF表面粗糙。 5.研究3D打印PAN纤维混凝土不同方向上的力学性能并分析各向异性,得到3DPC试件受力机理。通过控制变量法得到单层高度、挤出宽度和水平移动速度的最佳打印参数,切割试件得到3DPC试块,测试其X、Y、Z方向上的力学性能。研究表明:3DPC试块不同方向上的抗压、抗折分别最高达到44.2MPa、7.78MPa,相对于浇筑混凝土试块分别变化了-3.7%、14.7%。分析各向异性可得,抗压强度各向异性差异最为明显,考虑到是由于料浆挤出后PAN纤维沿着条带打印方向分布,从而沿X方向上增韧增强。 图[38]表[17]参[67]