一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置与测试方法，测试装置包括压力机、挤出装置、可移动小车、控制系统和相机，所述压力机为门式结构，压力机顶部中心具有下压杆，所述挤出装置包括推杆、装料筒、挤出筒和支撑架，所述装料筒和挤出筒均为圆筒式结构，装料筒下缘和挤出筒上缘均设有向外凸出的固定环，所述支撑架包括圆环形的支撑台和三根斜向固定于地面的支撑杆，所述支撑台的圆环中心用于放入挤出筒。本发明专利技术适用于骨料粒径在0‑31.5mm的3D打印混凝土材料挤出模拟与工作性测试，既能够评价混凝土材料的可挤出性，又能得到3D打印混凝土的流变参数和早期力学性能，为3D打印混凝土配合比设计提供定量指标。

A 3D printing device and method for testing the mechanical properties of concrete in extrusion and fresh state

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置与方法
本专利技术涉及建筑材料和建筑施工
，具体涉及一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置与测试方法。
技术介绍
3D打印技术是一种增材制造技术，通过将材料进行逐层叠加的方式完成实体结构的制造，无需模具，能够大大缩短制造周期，降低成本。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、枪支以及其他领域都有所应用。目前3D打印技术已经开始应用于建筑行业，3D打印混凝土技术发展的可以大大节约人力成本、缩短周期，做到就地取材，降低运输成本，符合建筑工业化的要求。由于3D打印混凝土无需模板，通过层与层之间的堆叠建造，因此3D打印技术对混凝土的性能，特别是新拌状态混凝土的性能要求更高。3D打印要求新拌混凝土具有足够的流动性和粘聚性，保证其能够从挤出头中流畅挤出，并在挤出后具有一定的形状保持能力。除此之外，打印后底层的混凝土应该具有一定的承载力，能够承受上部材料的压力，并保证不发生较大的变形。因此，准确并便捷的测试3D打印混凝土的工作性及新拌状态时的力学性能便成为评价混凝土可打印性的关键。然而，传统的混凝土工作性能测试方法(如塌落度等)已经不适用于应用于3D打印混凝土。目前存在的一些测试3D打印混凝土工作性能的测试方法多局限于不含粗骨料的3D打印混凝土，对于含粗骨料的3D打印混凝土，由于其骨料粒径较大且骨料形状不规则，使用桌面级打印机打印时，会出现骨料卡顿和打印头尺寸较小的问题。因此，还没有可供借鉴的含粗骨料的3D打印混凝土的工作性能的测试和表征方法。
技术实现思路
针对以上不足，本专利技术提供了一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置与测试方法，适用于骨料粒径0-31.5mm的混凝土材料，可以模拟打印混凝土的挤出过程，评价打印混凝土的可挤出性，以及混凝土的流变参数和早期力学性能，为3D打印混凝土后续的可建造性评价提供参数。本专利技术的技术方案为：一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置，包括压力机、挤出装置、可移动小车、控制系统和相机，所述压力机为门式结构，压力机顶部中心具有下压杆，所述挤出装置包括推杆、装料筒、挤出筒和支撑架，所述装料筒和挤出筒均为圆筒式结构，装料筒下缘和挤出筒上缘均设有向外凸出的固定环，所述支撑架包括圆环形的支撑台和三根斜向固定于地面的支撑杆，所述支撑台的圆环中心用于放入挤出筒，装料筒、挤出筒分别位于支撑架的上方和内下方，并通过固定环和螺栓固定于支撑台上，所述推杆上、下两端分别连接上圆盘和下圆盘，所述下圆盘插入装料筒内部，所述挤出筒下端部设有卡扣，所述挤出装置位于下压杆正下方并处于一条中心线上，所述可移动小车放置于挤出筒正下方，并与挤出筒下端空开一段距离，所述相机的安装高度与装料筒高度一致，所述控制系统包括电脑和显示屏，所述电脑安装有3D打印混凝土流变性能分析和计算软件，所述装料筒和挤出筒用于填充3D打印混凝土，所述压力机与控制系统相连，接受控制系统发出的指令，其下压杆下降并下压推杆，使推杆在装料筒内部下压所填充的3D打印混凝土，根据控制系统的挤出压力F，计算得到3D打印混凝土材料的流变性能，所述3D打印混凝土的骨料粒径为0-31.5mm。所述可移动小车具有顶板和底板，所述顶板的上表面为光滑平面，所述顶板和底板为方形板，其长或宽不超过相邻两根支撑杆的距离，所述顶板、底板之间设有弹簧，所述弹簧用于调节顶板和底板之间的距离，所述可移动小车安装有电动马达，并受控于遥控器。所述装料筒和挤出筒均为PCV材质，装料筒内径大于挤出筒内径，装料筒内径D为50mm-400mm，挤出筒内径d为20mm-180mm，挤出筒长度L为100mm-400mm，所述卡扣为圆形金属片。所述下圆盘直径小于装料筒内径，下圆盘边缘设有密封圈。一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试方法，包括以下步骤：S1：湿润装料筒、挤出筒内壁，推杆的下圆盘及可移动小车的顶板上表面；S2：安装挤出装置，使挤出装置的中心线与压力机的下压杆中心线保持一致，挤出筒下端卡扣扣紧；S3：调整可移动小车高度，使小车顶板与挤出筒之间的距离为挤出筒内径d±10mm；S4：安装相机，使相机高度与装料筒高度一致，并开启定时拍摄模式；S5：向装料筒内部填充3D打印混凝土材料，直至混凝土材料填满装料筒和挤出筒；S6：将推杆下端的下圆盘插入装料筒，通过控制系统控制压力机的下压杆下降，与推杆接触并下压推杆，对装料筒内的新拌混凝土进行预压，使装料筒和挤出筒内部的混凝土材料达到密实状态；S7：调节控制系统，选择位移控制，选择一定的挤出速度V，同时打开挤出筒下端的卡扣，以恒定速度挤出混凝土材料；S8：待混凝土材料挤出稳定后，开启可移动小车的马达，使可移动小车保持一定速度匀速运动；S9：观察控制系统的挤出压力F的数值，当挤出压力F开始稳定时，记录此时的挤出压力F1和挤出速度V1；S10：改变不同的挤出速度V2、V3、V4，重复三遍步骤S7-S9，分别得到F2、F3、F4；S11：根据不同的挤出压力F和挤出筒内径d可计算得到挤出压强P，根据固定挤出速度V时的挤出压强P值评价3D打印混凝土材料的可挤出性，得到可挤出性评价为易、中、难的临界挤出压强Pe和Ph；S12：将试验得到的挤出速度V1、V2、V3、V4和压力F1、F2、F3、F4分别代入公式：其中σ代表体积屈服应力，α、β为常数参数，通过四个联立方程求解，得到3D打印混凝土材料的流变参数剪切屈服应力τ；S13：拆除螺栓，将装料筒置换为内径D为100mm，高度为200mm的装料筒，挤出筒下端卡扣扣紧，在装料筒内添加新拌3D打印混凝土，重新将推杆插入装料筒；S14：开启控制系统，下压杆下压推杆，直至装料筒内的混凝土密实并达到一定高度，关闭控制系统；S15：静置规定龄期后，拆除螺栓，垂直缓缓提起装料筒，重新开启控制系统，选择位移控制，选择一定的挤出速度V，下压杆下压推杆，直至新拌混凝土出现明显破坏时停止；S16：采用3D打印混凝土流变性能分析和计算软件对相机拍摄的照片和应力变化进行处理，建立新拌混凝土的应力-应变曲线，得到新拌混凝土静置不同龄期后的强度。所述压力机的挤出压力F为0-10kN，可通过控制系统的位移控制加压，挤出速度V为0-50mm/min。所述步骤S5的混凝土材料中骨料的粒径为0-31.5mm。所述步骤S7中的V为1mm/s-20mm/s，步骤S8中小车的运动速度与挤出速度V相同。所述步骤S15的规定龄期时间范围为在混凝土初凝之前，所述挤出速度V为0.1mm/s-10mm/s。本专利技术的3D打印混凝土性能测试装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置，其特征在于，包括压力机(10)、挤出装置(20)、可移动小车(30)、控制系统(40)和相机，所述压力机(10)为门式结构，压力机(10)顶部中心具有下压杆(11)，所述挤出装置(20)包括推杆(21)、装料筒(22)、挤出筒(23)和支撑架(24)，所述装料筒(22)和挤出筒(23)均为圆筒式结构，装料筒(22)下缘和挤出筒(23)上缘均设有向外凸出的固定环(221)，所述支撑架(24)包括圆环形的支撑台(241)和三根斜向固定于地面的支撑杆(242)，所述支撑台(241)的圆环中心用于放入挤出筒(23)，装料筒(22)、挤出筒(23)分别位于支撑架(24)的上方和内下方，并通过固定环(221)和螺栓(222)固定于支撑台(241)上，所述推杆(21)上、下两端分别连接上圆盘(211)和下圆盘(212)，所述下圆盘(212)插入装料筒(22)内部，所述挤出筒(23)下端部设有卡扣(231)，所述挤出装置(20)位于下压杆(11)正下方并处于一条中心线上，所述可移动小车(30)放置于挤出筒(23)正下方，并与挤出筒(23)下端空开一段距离，所述相机的安装高度与装料筒(22)高度一致，所述控制系统(40)包括电脑和显示屏，所述电脑安装有3D打印混凝土流变性能分析和计算软件，所述装料筒(22)和挤出筒(23)用于填充3D打印混凝土，所述压力机(10)与控制系统(40)相连，接受控制系统(40)发出的指令，其下压杆(11)下降并下压推杆(21)，使推杆(21)在装料筒(22)内部下压所填充的3D打印混凝土，根据控制系统(40)的挤出压力F，计算得到3D打印混凝土材料的流变性能，所述3D打印混凝土的骨料粒径为0-31.5mm。/n...

【技术特征摘要】
1.一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试装置，其特征在于，包括压力机(10)、挤出装置(20)、可移动小车(30)、控制系统(40)和相机，所述压力机(10)为门式结构，压力机(10)顶部中心具有下压杆(11)，所述挤出装置(20)包括推杆(21)、装料筒(22)、挤出筒(23)和支撑架(24)，所述装料筒(22)和挤出筒(23)均为圆筒式结构，装料筒(22)下缘和挤出筒(23)上缘均设有向外凸出的固定环(221)，所述支撑架(24)包括圆环形的支撑台(241)和三根斜向固定于地面的支撑杆(242)，所述支撑台(241)的圆环中心用于放入挤出筒(23)，装料筒(22)、挤出筒(23)分别位于支撑架(24)的上方和内下方，并通过固定环(221)和螺栓(222)固定于支撑台(241)上，所述推杆(21)上、下两端分别连接上圆盘(211)和下圆盘(212)，所述下圆盘(212)插入装料筒(22)内部，所述挤出筒(23)下端部设有卡扣(231)，所述挤出装置(20)位于下压杆(11)正下方并处于一条中心线上，所述可移动小车(30)放置于挤出筒(23)正下方，并与挤出筒(23)下端空开一段距离，所述相机的安装高度与装料筒(22)高度一致，所述控制系统(40)包括电脑和显示屏，所述电脑安装有3D打印混凝土流变性能分析和计算软件，所述装料筒(22)和挤出筒(23)用于填充3D打印混凝土，所述压力机(10)与控制系统(40)相连，接受控制系统(40)发出的指令，其下压杆(11)下降并下压推杆(21)，使推杆(21)在装料筒(22)内部下压所填充的3D打印混凝土，根据控制系统(40)的挤出压力F，计算得到3D打印混凝土材料的流变性能，所述3D打印混凝土的骨料粒径为0-31.5mm。


2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述可移动小车(30)具有顶板(31)和底板(32)，所述顶板(31)的上表面为光滑平面，所述顶板(31)和底板(32)为方形板，其长或宽不超过相邻两根支撑杆(242)的距离，所述顶板(31)、底板(32)之间设有弹簧(33)，所述弹簧(33)用于调节顶板(31)和底板(32)之间的距离，所述可移动小车(30)安装有电动马达，并受控于遥控器。


3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述装料筒(22)和挤出筒(23)均为PCV材质，装料筒(22)内径大于挤出筒(23)内径，装料筒(22)内径D为50mm-400mm，挤出筒(23)内径d为20mm-180mm，挤出筒(23)长度L为100mm-400mm，所述卡扣(231)为圆形金属片。


4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述下圆盘(212)直径小于装料筒(22)内径，下圆盘(212)边缘设有密封圈。


5.一种3D打印混凝土可挤出性与新拌状态力学性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：湿润装料筒(22)、挤出筒(23)内壁，推杆(21)的下圆盘(212)及可移动小车(30)的顶板(31)上表面；
S2：安装挤出装置(20)，使挤出装置(20)的中心线与压力机(10)的下压杆(11)中心线保持一致，挤出筒(23)下端卡扣(231)扣紧；
S3：调整可移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖建庄，侯少丹，段珍华，丁陶，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31