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SFP1-1 3D打印聚合物改性混凝土及其界面增强技术研究
发布时间: 2022/08/24  发布者: 原创  浏览量:
项目编号: 2022SFP1-1
项目名称: 3D打印聚合物改性混凝土及其界面增强技术研究

研究背景:
3D打印是现代智能建造核心技术之一,能够快速高效地完成建筑物的自动化建造。针对普通混凝土难以满足3D打印对材料可打印性以及基体和界面强化的需求,项目拟结合多种石油基聚合物性能方面的优势联合调控混凝土材料的可打印性、韧性、界面结合性能和整体性,开发3D打印聚合物改性混凝土及其界面增强技术。

研究目标:

1. 石油基聚合物乳液、聚丙烯酰胺提升混凝土材料可打印性;
2. 开发有机纤维改善3D打印聚合物改性混凝土的韧性;
3. 建立石油基聚合物乳液3D打印同步喷涂技术;
4. 设计及生产新型聚合物骑马钉,增强3D打印聚合物改性混凝土整体性能。

项目成果:
1. 通过流变学测试方法,揭示了石油基聚合物乳液与甲基纤维素对3D打印混凝土材料流变性能和建造性能的复合影响,并得到了低剪切速率下具有高剪切屈服应力峰值、高剪切速率下具有低剪切屈服应力的特殊流变模型。基于流变模型,成功完成符合3D打印的聚合物改性混凝土材料配合比设计,并成功制备出3D打印聚合物改性混凝土材料构件。

2. 通过对3D打印混凝土材料内部聚合物纤维等柔性纤维的空间分布及取向进行表征,证明了柔性纤维在3D打印混凝土材料中的特殊分布规律及影响机制,同时对水泥颗粒的分布进行表征分析,与纤维分布规律结合,获得纤维与水泥颗粒的复合分布模型。通过对3D打印柔性纤维改性混凝土材料抗弯、抗压和抗劈裂等力学性能的探求,结合纤维特殊分布规律,成功揭示了柔性纤维在挤出过程中由于不均匀剪切应力产生的特殊分布规律对材料力学性能的影响。

3. 基于Marlin固件及相应数控主板,开发了能完美嵌套3D打印系统中的同步喷涂乳液装置,并成功打印出乳液喷涂增强层间界面的结构。通过对该结构的力学性能测试,证实适量的乳液喷涂厚度有助于层间界面结合强度的提升,增幅可达32.3%;但过量的乳液喷涂不利于层间界面结合强度的提升。

4. 完成符合骑马钉增强的3D打印混凝土配合比设计,针对不同尺寸骑马钉筋材在不同粘度3D打印混凝土材料中的植入效果进行深入研究,发现了3D打印混凝土材料中植入骑马钉筋材形成的缺陷,并揭示了骑马钉尺寸和混凝土粘度对骑马钉植入效果的影响。同时对层间和条间界面进行劈裂试验,探究筋材尺寸和混凝土粘度裂缝发展和破坏模式的影响。结果表明,配筋率提升有助于层间及条间界面劈裂强度,但具备上限;混凝土材料粘度提升不利于界面劈裂强度。揭示了不同尺寸在不同粘度基体中破坏模式的改变本质是由于界面和基体强度比发生改变。

论文 1:R. Yang, Y. Zhu, Y. Lan, Q. Zeng, Y. Peng, Z. Wang, Differences in micro grain/fiber distributions between matrix and interlayer of cementitious filaments affected by extrusion molding, Addit. Manuf., 2022, 60: 103236;

论文 2:R. Yang, Q. Zeng, Z. Wang, Gradient distribution of slender glass microfibers in 3D printed cementitious filaments, The 16th International Congress on the Chemistry of Cement, 2023;

论文 3:R. Yang, Q. Zeng, Z. Wang, Rebar-matrix interface in extrusion molded cementitious filaments, XVI International Conference on Durability of Building Materials and Components, 2023;

发明专利 1:《聚合物乳液及其制备方法与应用》

发明专利 2:《微振捣方法及3D打印混凝土构件》

标准:《3D打印水泥基材料界面结合强度试验方法》

工程示范:水幕墙建筑景观