一種3d打印混凝土構(gòu)件的打印及配筋方法
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明屬于3d打印梁構(gòu)件配筋技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于3d打印混凝土構(gòu)件的打印及配筋的方法。


背景技術(shù)：

2.3d打印混凝土技術(shù)是將混凝土結(jié)構(gòu)建造與數(shù)字模型緊密結(jié)合的新型建造工藝，3d打印混凝土的工作原理是通過打印機(jī)擠出頭，按照基于數(shù)字模型生成的打印路徑，將建筑材料擠出，并將擠出的混凝土堆疊形成的三維結(jié)構(gòu)。將3d打印概念應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，有許多傳統(tǒng)建造工藝所不具備的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式靈活、建造速度快、精細(xì)化程度較高、人工需求較少、對環(huán)境較為友好等。
3.但是3d打印混凝土結(jié)構(gòu)同樣也有著傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)建造工藝不存在的問題。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方法可以使用完整的鋼筋籠配合澆筑混凝土，共同工作，混凝土主要承受壓力，當(dāng)混凝土退出工作后，鋼筋還可以繼續(xù)發(fā)揮作用，大幅度提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力；此外，由于鋼筋是延性材料，屈服時(shí)有明顯的變形，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性提高，方便使用。但是由于3d打印混凝土無法配置鋼筋籠，因此為了提高3d打印混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能，有添加纖維、預(yù)設(shè)鋼纜、改進(jìn)打印機(jī)工藝以及分層鋪設(shè)筋材等方法，大部分方法無法起到傳統(tǒng)鋼筋籠那樣全面的加強(qiáng)作用。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.基于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于3d打印混凝土構(gòu)件的打印及配筋方法，該方法利用錯(cuò)縫打印的方法對3d打印混凝土結(jié)構(gòu)減輕3d打印各向異性的影響，同時(shí)配置了受拉縱筋、架立筋及箍筋一體化的配筋，形成了拼裝筋籠，提升3d打印混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能。
5.為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種3d打印混凝土構(gòu)件的打印及配筋方法，所述打印及配筋方法包括以下步驟：
6.步驟一：配合比的確定：配制適用于3d打印結(jié)構(gòu)的混凝土，充分拌和之后，并測試相關(guān)的打印性能，需滿足各項(xiàng)性能要求，否則應(yīng)當(dāng)調(diào)整或重新配制，直至滿足要求；
7.步驟二：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)，設(shè)備的相關(guān)參數(shù)以及配筋的相關(guān)參數(shù)；
8.所述構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)包括長度、寬度以及荷載等；所述設(shè)備的相關(guān)參數(shù)包括擠出頭尺寸、擠出量以及擠出速度等；所述配筋的相關(guān)參數(shù)包括配筋種類、配筋數(shù)量、配筋直徑、箍筋間距、縱筋彎起位置等；
9.步驟三：打印單層混凝土后鋪設(shè)筋格，重復(fù)打印混凝土層和鋪設(shè)筋格，直至形成完整的拼裝筋籠，最后覆蓋混凝土，形成完整的構(gòu)件。
10.進(jìn)一步地，所述步驟一中設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥c20，且≤c50；
11.進(jìn)一步地，所述步驟一中配制3d打印混凝土宜選用硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水
泥，并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》gb175的規(guī)定。當(dāng)采用其他品種水泥時(shí)，其性能指標(biāo)應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
12.進(jìn)一步地，粗骨料宜選用級(jí)配合理、粒型良好，質(zhì)地堅(jiān)固的碎石或卵石，最大公稱粒徑≤10mm，且應(yīng)根據(jù)實(shí)際打印設(shè)備的擠出頭的出口直徑r與筋材直徑r進(jìn)行調(diào)整，最大公稱粒徑在三者中取最小值。原因是為了防止?jié)袂械臅r(shí)候出現(xiàn)損傷以及筋材的插入的影響：粒徑過大在濕切的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)粗骨料在混凝土中滑移而造成機(jī)械損傷，此外，筋材的插入也可能會(huì)由于粒徑過大的粗骨料而導(dǎo)致箍筋肢插入時(shí)出現(xiàn)偏差；
13.優(yōu)選地，粗骨料的粒徑為5～10mm；
14.進(jìn)一步地，粗骨料的含泥量≤1％；
15.進(jìn)一步地，細(xì)骨料宜選用級(jí)配ⅱ區(qū)的中砂。包括但不局限于河沙、海砂、機(jī)制砂及再生砂；
16.進(jìn)一步地，所述步驟一中配制3d打印混凝土?xí)r配合比無需統(tǒng)一，配制的混凝土只需要滿足相關(guān)的性能要求即可；
17.進(jìn)一步地，所述步驟一中的混凝土性能測試要求正式打印前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行試配工作，攪拌混凝土?xí)r不應(yīng)出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象；
18.進(jìn)一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的可擠出性：打印時(shí)可以觀察到連續(xù)均勻、無堵塞、無明顯的拉裂；
19.進(jìn)一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的可建造性：打印時(shí)形態(tài)保持穩(wěn)定且不倒塌；
20.進(jìn)一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的坍落度在100～160之間，原因由于使用了縱筋平鋪以及箍筋肢插入的工藝，需要較大的流動(dòng)性，減少筋材的影響，同時(shí)可以填充放置筋材的時(shí)候造成的缺陷；
21.進(jìn)一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的凝結(jié)時(shí)間應(yīng)滿足可打印時(shí)間的要求；
22.進(jìn)一步地，所述步驟二中的構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)要結(jié)合打印設(shè)備的尺寸調(diào)整后確定；
23.進(jìn)一步地，所述步驟二中的設(shè)備為普通的混凝土打印機(jī)即可；
24.進(jìn)一步地，所述步驟二中的設(shè)備的參數(shù)包括混凝土擠出頭尺寸要根據(jù)打印的構(gòu)件的尺寸共同確定；
25.進(jìn)一步地，所述步驟二中的設(shè)備參數(shù)還包括混凝土的擠出量，具體擠出量要根據(jù)構(gòu)件的尺寸共同確定，要求能夠達(dá)到每一層的高度的同時(shí)打印不中斷；
26.進(jìn)一步地，所述步驟二中的一體化筋格如圖1所示，配筋的相關(guān)參數(shù)包括縱筋彎起位置d以及彎起筋的錨固距離d等；
27.進(jìn)一步地，所述步驟二中的一體化筋格的縱筋的彎起角度θ根據(jù)構(gòu)件尺寸確定，當(dāng)構(gòu)件高度h＜800mm時(shí)，θ＝45
°
；當(dāng)構(gòu)件高度h≥800mm時(shí)，θ＝60
°
；
28.縱筋的彎鉤角度和長度與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》保持一致；
29.進(jìn)一步地，所述步驟二中的箍筋布置如圖2所示，箍筋肢長s要根據(jù)每一層混凝土的高度確定，箍筋肢插入后，超出下一層縱筋的長度為一層混凝土厚度，同時(shí)連接相鄰的兩層混凝土，但是需要指出，初始層的箍筋不伸出箍筋肢，只將縱筋與架立筋聯(lián)結(jié)即可；
30.進(jìn)一步地，所述步驟二中使用的筋材包括但不僅限于鋼筋、復(fù)合筋等；
31.進(jìn)一步地，所述步驟三中的打印混凝土要求錯(cuò)縫打印，具體操作如圖3所示，不能采用改變打印方向的方式打印，盡量保證接縫與荷載方向垂直，防止加載時(shí)出現(xiàn)平行于接縫方向的分力；
32.進(jìn)一步地，所述步驟三的打印路徑包括但不局限于圖4的打印路徑；
33.進(jìn)一步地，所述步驟三中的打印層數(shù)需要根據(jù)實(shí)際尺寸決定，如圖3所示，最上層為打印尺寸，向下層層遞增，打印完成濕切后可以回收材料再利用；
34.優(yōu)選地，濕切的位置可以比構(gòu)件尺寸要略大，硬化后再對多余的、不平整的部位進(jìn)行干切，先粗略濕切、干燥硬化后干切能夠防止對構(gòu)件產(chǎn)生初始機(jī)械損傷；
35.進(jìn)一步地，所述步驟三中的鋪設(shè)筋格要求縱筋盡量避免置于混凝土的接縫中，防止出現(xiàn)混凝土與筋材粘結(jié)不足的情況；
36.進(jìn)一步地，所述步驟三中鋪設(shè)筋格時(shí)，要求箍筋肢向下插入下一層縱筋以下，保證相鄰兩層的筋格的搭接以及混凝土的連接；
37.進(jìn)一步地，所述步驟三中重復(fù)打印混凝土以及鋪設(shè)筋格的步驟，直至形成完整的拼裝筋籠，覆蓋最后一層打印混凝土，養(yǎng)護(hù)完成后，將打印構(gòu)件旋轉(zhuǎn)90
°
后投入正常使用，如圖5所示。
38.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
39.⑴
錯(cuò)縫打印可以有效減少條間缺陷累積造成更大的缺陷，有利于減小3d打印混凝土各向異性的影響
40.⑵
受拉縱筋和架立筋可以共同承受彎矩，兩者中間的聯(lián)結(jié)可以抵抗剪力，同時(shí)也可以設(shè)置彎起筋以共同抵抗剪力，由于是由多段筋材聯(lián)結(jié)為一體，可以在混凝土的角部同樣設(shè)置彎起；
41.⑶
受拉縱筋和架立筋聯(lián)結(jié)成一體可以確保筋籠的完整性及相對位置，使3d打印混凝土的配筋作用發(fā)揮更充分；同時(shí)筋籠能夠保證雙側(cè)筋都有足夠的承載能力，架立筋可以起負(fù)筋的作用，防止不確定的荷載造成破壞。
附圖說明
42.圖1為本發(fā)明的筋格示意圖；其中d為彎起筋的錨固長度，d≥10r,d為彎起筋的彎起位置；θ為彎起筋的彎起角度；α為鋼筋彎鉤的角度；a為箍筋的間距。
43.圖2為本發(fā)明的箍筋簡化示意圖，s表示箍筋肢長。
44.圖3為本發(fā)明錯(cuò)縫打印示意圖的左視圖。
45.圖4為本發(fā)明的打印路徑示意圖。
46.圖5是打印構(gòu)件旋轉(zhuǎn)90
°
后投入正常使用的示意圖。
47.圖6是實(shí)施例1的打印路徑示意圖。
48.圖7是實(shí)施例1的錯(cuò)縫打印及配筋局部示意圖。
49.圖8是實(shí)施例2的打印路徑示意圖。
50.圖9是實(shí)施例2的錯(cuò)縫打印及配筋局部示意圖。
51.圖10是實(shí)施例4的打印路徑示意圖。
52.圖11是實(shí)施例4的普通打印及配筋局部示意圖。
具體實(shí)施方式
53.下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。
54.實(shí)施例1
55.按照表1配合比配制混凝土：
56.表1配合比#1
[0057][0058]
說明：其中纖維素醚、葡萄糖酸鈉、聚羧酸減水劑的用量以水泥用量為基準(zhǔn)計(jì)算。
[0059]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土?xí)r不應(yīng)出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象，攪拌充分后,測得其坍落度為120mm；打印時(shí)，觀察到混凝土連續(xù)均勻、無堵塞、無明顯的拉裂，形態(tài)保持穩(wěn)定且不倒塌；
[0060]
構(gòu)件為梁構(gòu)件，尺寸為240
×
600
×
2000，擠出單層混凝土的尺寸為30mm
×
100mm，打印8層；
[0061]
配筋按照圖1所示筋格配置，相關(guān)參數(shù)α＝45
°
，θ＝45
°
，受拉區(qū)配有4根直徑16mm的hrb400，受壓區(qū)對稱配筋，即as＝as’＝803.84mm2，箍筋選擇直徑8mm的hpb300,箍筋間距200mm，箍筋肢長65mm，箍筋共布置四層，為四肢箍，分別在打印的第1、3、5、7層混凝土上插入(第一層無箍筋肢，無需插入)；
[0062]
打印路徑選擇平行打印，錯(cuò)縫打印，如圖6、7所示
[0063]
打印構(gòu)件相關(guān)信息如表2所示：
[0064]
表2實(shí)施例#1相關(guān)參數(shù)
[0065][0066]
實(shí)施例2
[0067]
按照表3配合比#2配制混凝土：
[0068]
表3配合比#2
[0069][0070]
說明：其中纖維素醚、葡萄糖酸鈉、聚羧酸減水劑的用量以水泥用量為基準(zhǔn)計(jì)算。
[0071]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土?xí)r不應(yīng)出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象，攪拌充分后,測得其坍落度為120mm；打印時(shí)，觀察到混凝土連續(xù)均勻、無堵塞、無明顯的拉裂，形態(tài)保持穩(wěn)定且不倒塌；
[0072]
構(gòu)件為梁構(gòu)件，尺寸為240
×
600
×
2000，擠出單層混凝土的尺寸為30mm
×
100mm，打印8層；
[0073]
配筋按照圖1所示筋格配置，相關(guān)參數(shù)α＝45
°
，θ＝45
°
，受拉區(qū)配有4根直徑16mm的hrb400，受壓區(qū)對稱配筋，即as＝as’＝803.84mm2，箍筋選擇直徑8mm的hpb300,箍筋間距250mm，箍筋肢長185mm，箍筋共布置2層，為雙肢箍，分別在打印的第1、7層混凝土上插入(第一層無箍筋肢，無需插入)，；
[0074]
打印路徑選擇連續(xù)打印，錯(cuò)縫打印，如圖8、9所示
[0075]
打印構(gòu)件相關(guān)信息如表4所示：
[0076]
表4實(shí)施例#2相關(guān)參數(shù)
[0077][0078]
抗彎承載力未出現(xiàn)明顯下降，抗剪承載力下降較為明顯，主要是配箍率的減少，但是由于所有筋格均可配置彎起鋼筋，因此抗剪承載力依然能夠正常使用。
[0079]
實(shí)施例3對比例
[0080]
按照表5配合比#3配制混凝土：
[0081]
表5配合比#2
[0082][0083]
說明：其中纖維素醚、葡萄糖酸鈉、聚羧酸減水劑的用量以水泥用量為基準(zhǔn)計(jì)算。
[0084]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土?xí)r出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象，攪拌充分后,測得其坍落度為180mm；打印時(shí)，觀察到混凝土連續(xù)、無堵塞，但不均勻，打印上層混凝土?xí)r，下層混凝土形態(tài)極易變形且發(fā)生了倒塌，無法打印，因此需要本發(fā)明指出的的打印性能要求配制混凝土。
[0085]
實(shí)施例4對比例
[0086]
按照表6配合比配制混凝土：
[0087]
表6配合比#3
[0088][0089][0090]
說明：其中纖維素醚、葡萄糖酸鈉、聚羧酸減水劑的用量以水泥用量為基準(zhǔn)計(jì)算。
[0091]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土?xí)r不應(yīng)出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象，攪拌充分后,測得其坍落度為120mm；打印時(shí)，觀察到混凝土連續(xù)均勻、無堵塞、無明顯的拉裂，形態(tài)保持穩(wěn)定且不倒塌；
[0092]
構(gòu)件為梁構(gòu)件，尺寸為240
×
600
×
2000，擠出單層混凝土的尺寸為30mm
×
100mm，打印8層；
[0093]
配筋按照圖1所示筋格配置，相關(guān)參數(shù)α＝45
°
，θ＝45
°
，受拉區(qū)配有4根直徑16mm的hrb400，受壓區(qū)對稱配筋，即as＝as’＝803.84mm2，箍筋選擇直徑8mm的hpb300,箍筋間距200mm，箍筋肢長65mm，箍筋共布置四層，為四肢箍，分別在打印的第1、3、5、7層混凝土上插入(第一層無箍筋肢，無需插入)，；
[0094]
打印路徑選擇平行打印，不錯(cuò)縫打印，如圖10、11所示
[0095]
打印構(gòu)件相關(guān)信息如表7所示：
[0096]
表7實(shí)施例4相關(guān)參數(shù)
[0097][0098]
由于沒有錯(cuò)縫打印，抗彎承載力以及抗剪承載力出現(xiàn)了明顯的下降，因此錯(cuò)縫打印可以提升3d打印混凝土構(gòu)件的承載力，按照本發(fā)明的錯(cuò)縫打印方法操作能夠一定程度提高3d打印混凝土構(gòu)件的受力性能。