分析3D打印水泥材料的新鮮混合性能

來源：廣西增材制造協(xié)會(huì)

導(dǎo)讀：摩根·克里斯汀·詹金斯（Morgan Christen Jenkins）最近向弗吉尼亞理工大學(xué)提交了碩士論文“增材制造的膠凝材料的新鮮混合特性和具有數(shù)字圖像相關(guān)性的撓曲分析 ” ，重點(diǎn)研究3D打印材料以及這種令人難以置信的創(chuàng)新技術(shù)如何適合現(xiàn)代民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。由于需要更好的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，Jenkins希望解決標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和評(píng)估問題，并探索當(dāng)今使用水泥材料時(shí)遇到的典型挑戰(zhàn)。

詹金斯（Jenkins）展示了土木工程中3D打印的一幅精妙圖景，指出許多項(xiàng)目圍繞“可演示性”而不是真實(shí)的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行，缺乏對(duì)未來結(jié)果可能涉及設(shè)計(jì)、耐用性和容量。有了改進(jìn)的測(cè)試方法，不僅可以更好地確保設(shè)計(jì)中的安全性和長(zhǎng)期使用，而且用戶還將有更大的潛力享受增材制造的好處和成功。

3D打印的混凝土墻和柱

3D打印水泥在建筑行業(yè)中的使用（尤其是為可持續(xù)發(fā)展的住房以及其他以混凝土板，與機(jī)器人集成等部件為特征的項(xiàng)目）已被充分記錄在案，因?yàn)檫@種技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)如：
· 加快構(gòu)建速度并提高效率
· 提高準(zhǔn)確性
· 減少材料浪費(fèi)
· 模板成本更低
· 減少了對(duì)體力勞動(dòng)的需求（因此，減少了工地受傷的風(fēng)險(xiǎn)）

同時(shí)，挑戰(zhàn)包括：
· 有關(guān)新鮮混合料性能的“不同要求”
· 缺乏真正的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
· 由于材料性能強(qiáng)度下降而產(chǎn)生劣質(zhì)材料和零件的可能性
隨著水泥的3D打印在過去十年中（尤其是最近幾年）的持續(xù)流行，已使用了許多方法：
詹金斯說：“例如，材料擠出和粘結(jié)劑噴射（也稱為粒子床熔合）是3DCP的兩種AM工藝�！� “使用哪種工藝的差異可以改變?cè)谫|(zhì)量保證/質(zhì)量控制期間需要考慮哪些參數(shù)。但是，材料擠壓工藝一直是3DCP最常用的增材制造方法�！�

Jenkins繼續(xù)關(guān)注在AM過程中，尤其是在硬件和軟件、混合設(shè)計(jì)、文檔設(shè)計(jì)以及測(cè)試中使用混凝土方面缺乏一致性。

精煉混合設(shè)計(jì)以滿足所需AM性能的迭代過程

Jenkins指出：“記錄過去，現(xiàn)在和將來的研究過程、材料、測(cè)試方法等，可以通過使用膠結(jié)材料來解決AM的持續(xù)發(fā)展。”

本研究的樣本是使用“天空大面積增材制造（SkyBAAM）”系統(tǒng)創(chuàng)建的。第一階段的測(cè)試在田納西大學(xué)（UTK）的工廠進(jìn)行，第二階段的測(cè)試在Virginia Tech（VT）的工廠進(jìn)行。

噴嘴擠壓圖

橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還創(chuàng)建了一種混合設(shè)計(jì)，用于本研究中的所有樣品和測(cè)試，以配合SkyBAAM過程。

在第一階段，測(cè)試了八個(gè)樣本，所有樣本“在加載后一到兩分鐘內(nèi)迅速失效”。研究人員將其歸因于較高的裝載率，將來需要對(duì)其進(jìn)行更改。

“基于第一階段的初步結(jié)果，樣品制備工作得以開展；但是，負(fù)載率極高，沒有根據(jù)每個(gè)梁的寬度和高度進(jìn)行調(diào)整。此外，僅找到破裂模量并不能提供太多有關(guān)載荷如何在層之間分配或轉(zhuǎn)移的信息�！闭步鹚菇忉屨f。

視覺上可接受的打印產(chǎn)品

“方向B最初似乎勝過方向A，但由于高標(biāo)準(zhǔn)43偏差，均值在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有差異。由于高加載速率和不確定的結(jié)果，需要進(jìn)一步研究。特別是，需要進(jìn)一步研究，包括缺陷如何影響每個(gè)方向的性能�！�

標(biāo)準(zhǔn)批0.75 ft3砂漿的混合比例

在第二階段中，使用了三種方法進(jìn)行評(píng)估：流動(dòng)性、凝固時(shí)間和早期抗壓強(qiáng)度-表明在3D打印中使用各種砂漿的功效。詹金斯指出，“當(dāng)測(cè)量和考慮骨料的水分狀況時(shí)，其性能變化較小�！� 在第1組和第2組之間，天然砂的排放量也減少了67％。人造砂的排放量減少了71％。詹金斯建議，用于制造復(fù)合材料的混合物應(yīng)考慮水分問題，以實(shí)現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。

詹金斯總結(jié)說：“對(duì)于這項(xiàng)研究，使用最小單位重量為132 pcf能夠定性地區(qū)分具有明顯缺陷的標(biāo)本，這些缺陷與觀察結(jié)果和測(cè)試前的注意事項(xiàng)密切相關(guān)。” “例如，在單位重量小于132 pcf的組和單位重量大于132 pcf的組之間，斷裂模量B的方向增加了86％，標(biāo)準(zhǔn)偏差減小了68％。進(jìn)一步表明需要實(shí)施質(zhì)量保證/質(zhì)量控制措施；但是，對(duì)于90 MPa，132 pcf可能不是相同的截止點(diǎn)，對(duì)于基于擠壓技術(shù)的每個(gè)不同的3DCP系統(tǒng)，它可能會(huì)發(fā)生變化�！�

“對(duì)于3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，由于復(fù)合材料的各向異性，強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)是荷載定向的函數(shù)�！�