用于建筑规模3D打印的胶凝材料：新鲜印刷混合物的实验室测试外文翻译资料

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结构与建筑材料

用于建筑规模3D打印的胶凝材料：新鲜印刷混合物的实验室测试

亮点

▪提出了一个基于性能的印刷混凝土实验室测试框架。

▪建立了实验室规模的线性混凝土打印机，用于印刷混合物的实验研究。

▪设计了四种印刷混合物来研究纳米粘土，硅粉和纤维包裹物的影响。

▪为了研究形状稳定性，开发了层沉降和气缸稳定性测试。

▪包含硅灰和纳米粘土增强了新鲜印刷混合物的形状稳定性。

关键词：建筑规模3D打印；混凝土；添加剂制造；形状稳定性；胶凝材料；轮廓工艺。

摘要：在这项研究中，开发了基于性能的实验室测试框架以用于建筑规模3D打印的水泥混合物测试，其中研究了新鲜的“打印混合物”在打印质量，形状稳定性和可印刷性窗口方面的可用性。使用表面质量和印刷层尺寸的度量来描述打印质量。还提供了两种用于评估形状稳定性的测试方法的细节，即“层沉降”和“圆筒稳定性”。四种不同混合物的实验研究表明，包含硅灰，纳米粘土的混合物显著增强了形状稳定性。常规测试方法的结果以及四个建议的测试用于讨论混合物的性能。

1.介绍

几十年来，由于有限采用尖端技术而受到批评，现在建筑业正在发生深刻的变化。建筑信息模型（BIM）正在逐渐普及，其中基本的建筑设计和项目数据在整个建筑物的生命周期中以数字格式生成和管理^[1-5]。传感自动化技术也被用于建筑，以提高能源效率和居民的满意度^[6,7]。据报道，在建筑工地中使用无人机技术，无人机被用于安全检查^[8]和建筑工地三维建模等应用^[9]。而且，在自动化建筑施工中增加添加剂制造技术的新思想已成为研究的主题。增材制造被定义为“连接材料从3D模型数据制作物体的过程，通常是层层叠加，而不是减法制造方法^[10]”。应该指出的是，增材制造技术以前被用于建筑的概念建模^[11]。然而，全面的自动化建筑将是建筑行业的革命。完善的自动化施工流程具有许多优点，包括设计自由度，优越的施工速度和更高程度的定制。一些着名的建筑级3D打印工艺包括分别在美国，英国和意大利发明的轮廓制造，轮廓印刷和D-形状 ^[12,13]。

发明者是南加州大学的Behrokh Khoshnevis博士，轮廓制造（CC）是一种添加剂制造技术利用计算机控制来利用表面形成的能力来传递或预知平坦和自由形式的表面，从挤出材料中准确地获取^[14]。 CC通常被认为是第一个可行的建筑施工规模增材制造工艺^[15-17]。 CC的一些重要优点包括印刷元件的前所未有的表面质量，增加的制造速度以及大量的材料选择^[18]。原型CC机器具有5mtimes;8mtimes;3m的工作包装尺寸，对应于120m ²的印刷区域，并且示于图1-a。此外，在定居月球和火星的长期计划中，CC技术一直被认为是在这些行星物体表面建立即时基础设施的可行方法^[19,20]。

由拉夫堡大学研究人员开发的另一个著名的建筑级3D打印系统被称为“混凝土打印”。混凝土印刷机由一个5.4mtimes;4.4mtimes;5.4m的框架和一个移动水平梁上的打印头组成，该移动水平梁在y和z方向上移动，而打印头仅沿x方向移动^[21] 。根据打印路径的曲率，打印头能够移动至83 mm / s。混凝土印刷工艺主要包括数据准备，材料准备，交付和印刷。有趣的是，最近也有几家公司基于大规模3D打印技术的构思而建立起来。例如，Apis Cor TM是一家新成立的公司，开发了一种132m²的打印区域的起重机混凝土打印机（图1-b）。基于制造商，打印机的紧凑尺寸为4mtimes;1.6mtimes;1.5m，重量为2吨^[22]。

对正在进行的项目和研究工作的回顾表明，波特兰水泥混凝土作为近期自动化施工过程中广泛使用的材料是最可行的选择^[22-24,16]。主要原因是混凝土独特的新鲜和硬化特性，以及各种易于使用的外加剂来定制其性能。对印刷混凝土的性能进行了有限的研究。 2016年，Perrot等人^[24]研究了层状结构中水泥材料随时间变化的结构形成。这是重要的，因为在逐层构造过程中，先前沉积的层应该能够承受由后续层所引起的负载。基于作用于第一印刷层的垂直应力与塑性变形相关的临界应力的比较，提出了理论框架。假设随着时间的推移线性演化的屈服强度，这些研究人员将临界失效时间（tf）定义为混凝土特定重量，静止时没有时间的混凝土屈服应力，结构化率，施工率和几何因子（年龄）的函数。最后，使用建筑速率为1.1-6.2m / h的70mm直径塔的分层结构来验证结果。除最小建筑率，1.13m/h外,实验测量值tf与基于提出的表达式计算的值高度相关。在另一项研究中，Le et al。 ^[23]开发了一种用于混凝土印刷工艺的高性能纤维增强印刷混合物。采用827kg / m³的高胶凝材料含量和0.26的低水/胶凝材料比来实现理想的新鲜状态性质和28天的110MPa抗压强度。使用剪切叶片装置来描述印刷混凝土的可加工性，并且建议0.3-0.9kPa作为可印刷混合物的可接受的剪切强度范围。最后，建议的混合料的适用性通过建造一个2m长的混凝土工作台来验证，该工作台由128片6mm厚的薄片组成。

虽然很少的研究已经提供了对印刷混凝土的一些理想特性的初步了解，但仍需要广泛的研究和实验数据。具体而言，印刷混合物新鲜状态特性的表征需要深入研究。传统的新拌混凝土工作性定义是“新拌混凝土易于平整和压实的衡量标准^[25]”，并不够准确，应该制定新的措施来描述印刷混合物的新鲜状态行为。

2.研究目标

感知“混凝土印刷”作为最新的特殊混凝土，目前还没有相关的指导方针或建议的程序来评估混合料和新材料，或任何一套明确的混凝土验收标准。如前所述，以前的研究很少关注印刷混合物的具体性能，如形状稳定性（也称为形状保持力和生坯强度）^{[24,23,26,27]}。但是，还没有提出关于印刷混合物性能要求和测试方法的综合清单。

目前研究的目标是提出并检验基于性能的实验室测试和印刷混合物评估的框架。应该指出的是，在这里只考虑印刷混合物的新鲜特性，而需要进一步的研究来调查硬化印刷混合物的结构要求。发展一个综合的实验室测试印刷混凝土的框架可以作为研究人员对特定混凝土进行系统研究的开始点，也是未来规范和指南的基础。只有在进行了大量相关研究后才能建立混凝土印刷的普遍接受标准，并且可以获得关于实际建筑项目中使用的不同印刷混合物性能的合理数据。

在本文中，初步介绍了新鲜印刷混凝土实验室检测的框架，并提供了一些相关的细节。然后，这是一个实验性的程序进行了详细阐述拟议的框架，进行了讨论。还给出了四种印刷混合物的混合比例。这些混合物旨在研究纳米粘土，硅粉和纤维包裹物的影响。最后，介绍了几种传统测试方法的结果，如提出的测试方法，并简要讨论了不同混合物的性能。

图1（a）轮廓制造机（b）Apis CorTM开发的起重机。

3.实验计划

3.1．建议的框架

以下给出了新鲜状态下印刷混凝土实验室测试的建议框架。该测试程序的设计使其适用于不同的混凝土3D打印系统，因为它专注于印刷层的性能，而不是采用泵送或挤出机制。

根据以往的经验和现有文献^[23,28,29]，似乎印刷混凝土的特点是粉末含量高，不含粗集料，糊料比例增加，使用VMA。事实上，成功的印刷混合物的混合比例可以用作起始点。在设计初始混合物之后，满足印刷质量要求是所提出的迭代混合物评估和修改过程中的第一步。针对印刷质量提出了三个要求，即表面质量，平方边缘和尺寸维度一致性。所有这三项要求必须满足具有可接受的打印质量的混合物。

接下来，必须检查混合物的形状稳定性并相应地进行调整。为此，本文提出了用于快速评估和比较不同材料（添加剂或外加剂）对形状稳定性影响的圆筒稳定性试验。然而，采用或不采用决策必须基于层沉降实验，其中混凝土层以与全尺寸混凝土打印机相同的挤出机构彼此顶部打印。当使用目标夹层时间间隙时，不会出现可见的变形。

印刷混合物的实验室测试的第三步是指混合物的印刷适应性窗口，其中印刷适用性限制（应当测量并报告特定混合物的混合物可以接受的打印质量打印得最长时间）和堵塞极限（混合物在堵塞之前可以保留在喷嘴中的最长时间）。最后，当实验室测试旨在为特定建设项目开发混合物时，拟议框架提出了一项验证测试。它应该使用全尺寸打印机在类似温度和湿度的预期项目中进行。强烈建议使用与实际项目相同的混凝土配料，混合和运输设备。拟议的验证测试的主要功能是对设计的混合物进行实际的现场评估。在下面的部分中，将介绍基于所提出的框架执行的实验程序，并且将讨论关于印刷质量，形状稳定性和可印刷性窗口的提出的要求和测试方法的细节。

3.2.混凝土打印设置

为了简化各种混合物的实验室测试，建造了一台线性混凝土印刷机（图a）。与使用全尺寸打印机（例如Contour Crafting机器）相比，使用这种实验室级打印机的主要优点包括节省时间，成本和材料。开发的系统能够打印长达10个长1.2m的混凝土层。喷嘴采用类似于Contour Crafting机器的挤出机构来打印38.1 mmtimes;25.4 mm（1.5fttimes;1.0ft）的混凝土层。该控制系统是使用Arduino Mega（基于ATmega1280）和Arduino Uno（基于ATmega328）微控制器的组合开发的。该机器能够以不同的线速度和沉积速率打印混凝土。为了本研究的目的，选择60mm/s（2.36ft/s）的线性打印速度。

此外，通过蓝牙与打印设置进行通信，用户可以使用智能手机或平板电脑方便地控制机器。开发了一个Android应用程序（图b）以便于对设置进行远程控制。这个应用程序使用户能够选择参数（如线速度和速度）用于混凝土印刷工艺，并且还提供了一些预先设计。

3.3．材料和混合比例

在这项研究中，使用ASTM C150 II型波特兰水泥生产印刷混合物。使用市场上可买到的标称最大聚集体尺寸为2.36mm的人造砂作为细骨料。表1列出了筛沙分析结果和使用沙子的其他物理性质。

表1筛分分析和其他细骨料的性质

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