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

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

詹金斯（Jenkins）展示了土木工程中3D打印的一幅精妙圖景，指出許多項目圍繞“可演示性”而不是真實的現(xiàn)實進行，缺乏對未來結(jié)果可能涉及設計、耐用性和容量。有了改進的測試方法，不僅可以更好地確保設計中的安全性和長期使用，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，與機器人集成等部件為特征的項目）已被充分記錄在案，因為這種技術具有巨大的優(yōu)勢如：
· 加快構建速度并提高效率
· 提高準確性
· 減少材料浪費
· 模板成本更低
· 減少了對體力勞動的需求（因此，減少了工地受傷的風險）

同時，挑戰(zhàn)包括：
· 有關新鮮混合料性能的“不同要求”
· 缺乏真正的質(zhì)量控制標準
· 由于材料性能強度下降而產(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在質(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)關注在AM過程中，尤其是在硬件和軟件、混合設計、文檔設計以及測試中使用混凝土方面缺乏一致性。

精煉混合設計以滿足所需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。第一階段的測試在田納西大學（UTK）的工廠進行，第二階段的測試在Virginia Tech（VT）的工廠進行。

噴嘴擠壓圖

橡樹嶺國家實驗室還創(chuàng)建了一種混合設計，用于本研究中的所有樣品和測試，以配合SkyBAAM過程。

在第一階段，測試了八個樣本，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，將來需要對其進行更改。

“基于第一階段的初步結(jié)果，樣品制備工作得以開展；但是，負載率極高，沒有根據(jù)每個梁的寬度和高度進行調(diào)整。此外，僅找到破裂模量并不能提供太多有關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，但由于高標準43偏差，均值在統(tǒng)計學上沒有差異。由于高加載速率和不確定的結(jié)果，需要進一步研究。特別是，需要進一步研究，包括缺陷如何影響每個方向的性能�！�

標準批0.75 ft3砂漿的混合比例

在第二階段中，使用了三種方法進行評估：流動性、凝固時間和早期抗壓強度-表明在3D打印中使用各種砂漿的功效。詹金斯指出，“當測量和考慮骨料的水分狀況時，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，用于制造復合材料的混合物應考慮水分問題，以實現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。

詹金斯總結(jié)說：“對于這項研究，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本，這些缺陷與觀察結(jié)果和測試前的注意事項密切相關�！� “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％，標準偏差減小了68％。進一步表明需要實施質(zhì)量保證/質(zhì)量控制措施；但是，對于90 MPa，132 pcf可能不是相同的截止點，對于基于擠壓技術的每個不同的3DCP系統(tǒng)，它可能會發(fā)生變化�！�

“對于3D打印混凝土結(jié)構的實現(xiàn)，由于復合材料的各向異性，強烈建議設計是荷載定向的函數(shù)�！�