本发明属于建筑结构工程领域，具体涉及一种用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法。
背景技术：
3d打印混凝土技术具有设计自由化、建造灵活性、施工速度快、人工成本低、自动化程度高、环境污染小等诸多优点，近几年在土木建筑领域获得广泛的关注和显著的发展。3d打印桥梁、3d打印房屋等实例常有报道，这些在很大程度上证实了将3d打印技术运用到土木建筑领域的可行性。3d打印水泥基材料的制备是促进该技术在工程实践中应用的关键。然而，水泥混凝土的显著特点是极限延伸率低，脆性破坏明显。而且，由于3d打印混凝土的过程是通过持续地挤出混凝土材料，并层层堆积以最终建造成型。因此，传统的钢筋笼等一方面难以在打印过程中植入混凝土中，另一方面钢筋笼也难以适应3d打印结构的灵活多变性。因此寻求一种3d打印混凝土结构的‘类钢筋’的增强方法具有十分重要的意义。
纤维增强高延性水泥基材料是通过微观力学设计添加纤维使水泥基材料表现出应变硬化特性，具有较高的极限拉应变和伸长率。合理得掺入纤维材料可以有效改善混凝土材料的脆性特征，使其具备较高的延性和延性特征。因此，利用可3d打印的高延展性的水泥基材料来增强普通的混凝土材料，制作成类钢筋混凝土的复合结构，可以有效地提升3d打印混凝土结构的承载力，推进其工程实际应用。
在混凝土结构的‘类钢筋’效用的增强化方法方面，专利号为zl200510046304.2的中国专利公开一种纤维编织网增强自密实混凝土方法；申请号为201210532856.4的中国专利公开一种粘贴碳纤维布加固预应力混凝土空心板的方法。然而，上述专利中提及的碳纤维布及纤维编织网等均不能有效地适应3d打印中混凝土材料的挤出过程、逐层建造过程等，而且3d打印结构往往具有个性化、灵活化以及复杂的结构形状，编织网等均无法适用。目前为止，尚无利用高延性混凝土增强增韧3d打印混凝土结构的方法公开。
技术实现要素：
为了适应混凝土3d打印过程的灵活性以及高自动化程度，本发明提供一种用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法，该方法工艺简单、施工速度快、人工成本低、自动化程度高。
本发明的技术方案是，提供一种用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法，该方法包括如下步骤：
s1.复合结构三维数字化模型设计：首先通过三维建模软件或者三维扫描仪对复合梁结构进行设计或者建模，得到拟打印的复合梁结构三维模型的几何结构信息；然后将三维模型根据所要打印的复合梁结构的几何形式、受力条件分割成两部分，一部分为用于打印普通混凝土的普通混凝土层，一部分为用于打印高延性水泥基材料的高延性水泥基材料增强层，高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层构成复合结构三维数字化模型；
s2.stl文件生成及修复：将高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层分别以dwg格式文件导出，然后分别读入到stl文件编辑软件中，对stl格式文件进行修复，再导出各自修复后的stl格式文件；
s3.三维模型分层切片：将修复后的stl格式文件读入进切片软件中，设置切片厚度，对上述修复后的stl格式文件进行切片；
s4.打印路径规划设计：对上述切片进行规划路径，在路径规划软件中根据步骤s1中的复合结构三维数字化模型的几何结构设计相应的打印路径，然后导出包含切片以及路径信息的g文件；
s5.复合结构3d打印：将上述步骤s4保存的g文件导入到3d打印机的程序控制系统中，将可3d打印的普通混凝土材料和可3d打印的高延性水泥基材料分别通过相应的输送设备输送到3d打印机的材料存储系统中，然后，启动3d打印机，根据所使用的混凝土材料的流动性设定相应3d打印机中打印喷头的移动速度、材料挤出速度；设置完成后，打印喷头在程序控制系统的驱动下按照g文件中包含的路径信息分别将高延性水泥基材料和普通混凝土材料连续地挤出、逐层堆叠以最终成型；
s6.混凝土结构养护：模型结构打印完成之后可以根据规范进行标准养护、水养护或者高温蒸汽养护等，得到含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构。
一种混凝土结构，该结构通过上述的用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于3d打印技术将高延性水泥基材料用于增韧3d打印素混凝土，可以提高3d打印素混凝土结构的强度和延性，将本发明所述的高延性水泥基材料应用于梁结构的底部受拉区域，实验结果表明高延性水泥基材料增强3d打印混凝土复合结构的极限弯曲挠度可以增长120～330％。该发明的加固过程简单，成本低，建设速度快，最重要的是可以适应3d打印混凝土结构的灵活化，并提高自动化程度。
附图说明：
图1为本发明用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法的流程示意图；
图2为实施例1中3d打印高延性混凝土与普通混凝土复合结构梁的受力示意图；
图3为实施例1中的组合梁的路径规划设计；
图4为实施例与对比例所述混凝土复合结构梁的四点弯曲应力与跨中挠度的曲线关系图；
图5为回形组合柱的路径规划设计示意图。
图6为矩形组合梁的横断面结构示意图；
图7为回形组合柱的横断面结构示意图；
图8为波纹状组合板的断面结构示意图；
图9为工字形组合梁的横断面结构示意图；
图10为t形组合梁的横断面结构示意图；
图11为双向增强组合板的俯视结构示意图；
图12为单向增强组合板的俯视结构示意图；
图中，1为普通混凝土材料，2为高延性水泥基材料。
具体实施方式：
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法，包括如下步骤：
s1.复合结构三维数字化模型设计：首先通过三维建模软件或者三维扫描仪对复合梁结构进行设计或者建模，得到拟打印的复合梁结构三维模型的几何结构信息；然后将三维模型根据所要打印的复合梁结构的几何形式、受力条件分割成两部分，一部分为用于打印普通混凝土的普通混凝土层，一部分为用于打印高延性水泥基材料的高延性水泥基材料增强层，高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层构成复合结构三维数字化模型；高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层的空间位置需要根据所要打印的复合梁结构的形式、使用条件等进行综合设计；
s2.stl文件生成及修复：将高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层分别以dwg格式文件导出，然后分别读入到stl文件编辑软件中，对stl格式文件进行修复，再导出各自修复后的stl格式文件；
s3.三维模型分层切片：将修复后的stl格式文件读入进切片软件中，设置切片厚度，对上述修复后的stl格式文件进行切片；
s4.打印路径规划设计：对上述切片进行规划路径，在路径规划软件中根据步骤s1中的复合结构三维数字化模型的几何结构设计相应的打印路径，然后导出包含切片以及路径信息的g文件；
s5.复合结构3d打印：将上述步骤s4保存的g文件导入到3d打印机的程序控制系统中，将可3d打印的普通混凝土材料和可3d打印的高延性水泥基材料分别通过相应的输送设备输送到3d打印机的材料存储系统中，然后，启动3d打印机，根据所使用的混凝土材料的流动性设定相应3d打印机中打印喷头的移动速度即打印速度，打印喷头装配的驱动电机的转速即材料挤出速度等；设置完成后，打印喷头在程序控制系统的驱动下按照g文件中包含的路径信息分别将高延性水泥基材料和普通混凝土材料连续地挤出、逐层堆叠以最终成型；
s6.混凝土结构养护：模型结构打印完成之后可以根据规范进行标准养护、水养护或者高温蒸汽养护等，得到含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构。
本发明的进一步特征在于所述高延性水泥基材料按重量份数计其组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份；
f级粉煤灰0.96～1.44份；
石英砂0.64～0.96份，所述石英砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.29～0.43份；
减水剂0.005-0.01份；
pva纤维0.0017～0.0018份；
玄武岩纤维0.0043-0.0078份。
该高延性水泥基材料的制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份、f级粉煤灰0.96～1.44份和石英砂0.64～0.96份倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；然后将水0.29～0.43份和减水剂0.005-0.01份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5-6分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；将pva纤维和玄武岩纤维依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
使用上述高延性水泥基材料泵送或机械输送至3d打印机的打印喷头内时，打印喷头出口截面积设置为64～110mm2，挤出速度设置为0.35-0.50m3/h，水平向打印速度设置为280-310m/h。
本发明还保护应用上述方法制备得到的含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构，该结构可以为梁结构、板结构、柱结构等。
所述混凝土结构包括由可3d打印的普通混凝土材料1制成的普通混凝土层和由可3d打印的高延性水泥基材料2制成的高延性水泥基材料增强层，所述高延性水泥基材料的屈服挠度大于1mm。
所述混凝土结构为矩形组合梁(参见图6)、回形组合柱(参见图7)、三明治板、波纹状组合板(参见图8)、工字形组合梁(参见图9)、t形组合梁(参见图10)、单向增强组合板(参见图12)、双向增强组合板(参见图11)等。
本发明中所述的普通混凝土材料是指由细砂、水、减水剂以及水泥、硅灰等胶凝材料进行混合搅拌得到可3d打印的混凝土材料。所述的高延性水泥基材料是指屈服挠度，即极限挠度与峰值挠度之差，大于1mm的可3d打印的混凝土材料。
下面以高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土梁为例，来进一步解释本发明方法。
实施例1：
本实施例用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法制备复合梁结构，本实施例所要打印的复合梁结构为一尺寸为150×150×700mm的长方体梁结构，
制备普通混凝土材料1：将快硬性普通硅酸盐水泥52.5r0.9份，f级粉煤灰1.18份，石英砂0.75份，倒入80l行星式搅拌机中搅拌2分钟；然后将水0.32份和减水剂0.006份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2分钟后即得到3d打印混凝土；
制备高延性水泥基材料2：将快硬性普通硅酸盐水泥52.5r0.9份，f级粉煤灰1.18份，石英砂0.75份，倒入80l行星式搅拌机中搅拌2分钟；然后将水0.32份和减水剂0.006份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2分钟；将聚乙烯醇(pva)纤维0.0017份和玄武岩纤维0.0045份依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的高延性混凝土。所用pva纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600mpa，弹性模量为41gpa；所用玄武岩纤维的长度为12mm，直径为18μm，抗拉强度为4400mpa，弹性模量为89gpa；
具体步骤是：
s1.首先通过autocad软件对复合梁结构进行三维建模，即先绘制一尺寸为150×150×700mm的长方体，然后根据所要打印的复合梁结构的几何形式、受力条件分割成两部分，一部分为用于打印普通混凝土的普通混凝土层，一部分为用于打印高延性水泥基材料的高延性水泥基材料增强层，高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层构成复合结构三维数字化模型；在本实施例中高延性水泥基材料应用于梁结构的底部受拉区域，普通混凝土应用于梁结构的上部承受载荷的受压区域，即下部为高延性水泥基材料增强层，尺寸为45×150×700mm，上部为素混凝土(即普通混凝土)层，尺寸为105×150×700mm，其中高延性水泥基材料增强层占整体结构的30％(45mm/150mm)；
s2.stl文件生成及修复：在autocad软件中将步骤s1得到高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层分别以dwg格式文件导出，然后导入进solidworks软件或者magic软件中，并在solidworks软件中对其进行修复，然后导出高延性水泥基材料增强层对应的stl-1格式文件和普通混凝土层对应的另一个stl-2格式文件。
s3.将上述步骤s2中导出的stl-1和stl-2格式文件读入进切片软件slice3r中，进行等层高切片，切片层厚统一设为8mm。因此，高延性水泥基材料增强层共有6层，高度为48mm，比设计尺寸高3mm，素混凝土部分13层，高度为104mm，比设计尺寸低1mm，切片建模精度99％。
s4.对上述切片进行规划路径，在软件slice3r中采用直线z字型路径规划方法，直线与长度方向保持平行；打印机喷头设为12mm，打印机运行速度为35mm/s，用于材料挤出的步进电机的步进值设为2500；最后在slice3r中生成分别与stl-1和stl-2格式文件对应的g-1和g-2文件。g-1和g-2文件为g文件，即包含有打印过程的规划路径等参数，如图3所示。
s5.将上述可3d打印高延性水泥基材料通过输送设备输送到3d打印机的材料存储系统中，将上述g-1文件载入打印控制软件repetier-host中，设置打印控制软件repetier-host中的打印空间尺寸为45×150×700mm,连接打印机，点击运行进行打印，先完成高延性水泥基材料增强层的打印。将上述可3d打印普通混凝土材料通过输送设备输送到3d打印机的材料存储系统中，将上述g-2文件载入打印控制软件repetier-host中，设置软件repetier-host中的打印空间尺寸为105×150×700mm，连接打印机，点击运行进行打印，完成混凝土的打印。可3d打印普通混凝土材料的打印起始层是在高延性水泥基材料的顶层之上开始进行的。
s6.混凝土结构养护：模型结构打印完成之后室温养护24h后移至标准养护室，控制温度为20±2℃，相对湿度为95±5％，养护28天，得到含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构。
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施所用的材料进行力学性能测试。可3d打印的普通混凝土材料的抗拉强度为2.61mpa，抗压强度为31.57mpa，弯折强度5.42mpa，极限拉伸应变0.0118％。可3d打印的高延性水泥基材料的抗拉强度为4.35mpa，抗压强度为38.1mpa，弯折强度8.51mpa，极限拉伸应变0.0225％。
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施例得到的混凝土复合结构梁(含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构)进行四点弯曲力学性能测试，加载方案如图2所示，在普通混凝土材料1的上表面加载力，底端弯曲跨中距离600mm，顶部以50n/s同时施加两个集中力荷载，两个加载点c、d与底部相邻支撑点a、b的距离均为200mm，两个集中荷载的加载点c、d之间的距离同样为200mm。实验过程测试所得的弯曲应力和跨中挠度曲线绘制于图4，图4有力地说明了采用本实施例所述方法对素混凝土进行增韧，增韧后的复合梁具有高延性的特点。测试结果：峰值荷载为32.2kn，起裂挠度0.577mm，峰值挠度为0.715mm，极限挠度1.953mm，屈服变形(极限挠度与起裂挠度差)1.376mm。经过计算，本实施例中高延性水泥基材料增强层的增韧效果等同于一根直径为8.8mm的钢筋的增韧效果。
实施例2：
本实施例中除高延性水泥基材料层厚改为60mm，素混凝土层厚改为90mm外，其他的制作流程、材料参数等均与实施例1相同，相当于纤维水泥基材料的增强层占整体结构的40％。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施例混凝土梁进行四点弯曲力学性能测试，加载方案如图2所示。实验过程测试所得的弯曲应力和跨中挠度曲线绘制于图4，曲线有力地说明了本实施例采用所述方法对素混凝土进行增韧，增韧后的复合梁具有高延性的特点。测试结果：峰值荷载为39.0kn，起裂挠度0.642mm，峰值挠度为1.655mm，极限挠度2.267mm，屈服变形(极限挠度与起裂挠度差)1.625mm。将高延性水泥基材料增强层厚度由30％调整至40％之后，峰值荷载增加了21.5％，极限挠度增加了16.1％，屈服变形增加了18.1％。经过计算，本实施例中高延性水泥基材料增强层的增韧效果等同于一根直径为9.7mm的钢筋的增韧效果。
实施例3：
本实施例中除高延性水泥基材料层厚改为75mm，素混凝土层厚改为75mm外，其他的制作流程、材料参数等均与实施例1相同，相当于纤维水泥基材料的增强层占整体结构的50％。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施例混凝土梁进行四点弯曲力学性能测试。实验过程测试所得的弯曲应力和跨中挠度曲线绘制于图4，曲线有力地说明了本实施例采用所述方法对素混凝土进行增韧，增韧后的复合梁具有高延性的特点。测试结果：峰值荷载为49.6kn，起裂挠度1.699mm，峰值挠度为3.079mm，极限挠度3.807mm，屈服变形(极限挠度与起裂挠度差)2.108mm。将高延性水泥基材料增强层厚度由30％调整至50％之后，峰值荷载增加了54.4％，极限挠度增加了43.2％，屈服变形增加了53.2％。经过计算，本实施例中高延性水泥基材料增强层的增韧效果等同于一根直径为11.0mm的钢筋或者是2根直径为7.8mm的钢筋的增韧效果。
对比实施例1-3，可知，高延性水泥基材料增强层所占比例越多其增韧效果越明显，但高延性水泥基材料的成本要显著高于普通混凝土材料，逐渐增多替换比例，材料的成本就会增加，在实际使用中要选择合适的比例。
上述本实施均以梁结构为载体，通过本发明打印混凝土结构的方法均能实现对混凝土结构的增韧，替代钢筋。
对比例1
本对比例中除高延性水泥基材料层厚改为0，素混凝土层厚改为150mm外，其他的制作流程、材料参数等均与实施例1相同，相当于没有采用高延性水泥基材料增韧3d打印素混凝土。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施例混凝土梁进行四点弯曲力学性能测试，测试结果绘制于图4。曲线表明证明了素混凝土结构的脆性高、应变率低的特点。测试结果：峰值荷载为16.5kn，起裂挠度0.176mm，峰值挠度为0.176mm，极限挠度0.176mm，屈服变形(极限挠度与起裂挠度差)为0。
对比例2
本对比例中除将玄武岩纤维掺量改为0外，其他的制作流程、材料参数等均与实施例1相同，即采用延性相对较差的水泥基材料增韧3d打印素混凝土。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2002)对本实施例混凝土梁进行四点弯曲力学性能测试，测试结果绘制于图4。曲线表明证明了pva纤维混凝土增强素混凝土具有一定的增强增韧的效果，但是相对于实施例1-3而言，增韧效果较差。测试结果：峰值荷载为30.2kn，起裂挠度0.775mm，峰值挠度为0.758mm，极限挠度0.872mm，屈服变形(极限挠度与起裂挠度差)为0.097mm。
实施例4
本实施例用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法制备回型组合柱复合梁结构(参见图7)，
s1.首先通过autocad软件对复合梁结构进行三维建模，即先绘制一尺寸为180×180×840mm的长方体，然后根据所要打印的复合梁结构的几何形式、受力条件分割成两部分，一部分为用于打印普通混凝土的普通混凝土层，一部分为用于打印高延性水泥基材料的高延性水泥基材料增强层，高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层构成复合结构三维数字化模型；在本实施例中高延性水泥基材料应用于梁结构的上下左右4个面组成的中空回型，回型外部尺寸为180×180mm，内部尺寸为140×140mm，长度为840mm，普通混凝土应用于梁结构的中部区域，三维尺寸为140×140×840mm，其中高延性水泥基材料增强层占整体结构的35％；
s2.stl文件生成及修复：在autocad软件中将步骤s1得到高延性水泥基材料增强层和普通的混凝土层分别以dwg格式文件导出，然后导入进solidworks软件或者magic软件中，并在solidworks软件中对其进行修复，然后导出高延性水泥基材料增强层对应的stl-1格式文件和普通混凝土层对应的另一个stl-2格式文件。
s3.将上述步骤s2中导出的stl-1和stl-2格式文件读入进切片软件slice3r中，将回型柱沿高度方向进行等层高切片，切片层厚统一设为8mm。因此，整个柱结构被切成了23片，共计184mm，比设计尺寸高4mm，切片建模精度97.8％。
s4.对上述切片进行规划路径，在软件slice3r中采用直线回字型路径规划方法，即沿结构的外部边界形状逐步向中心移动的方式；打印机喷头设为12mm，打印机运行速度为35mm/s，用于材料挤出的步进电机的步进值设为2500；最后在slice3r中生成分别与stl-1和stl-2格式文件对应的g-1和g-2文件。g-1和g-2文件为g文件，即包含有打印过程的规划路径等参数，切片及路径规划见图6。
s5.将上述可3d打印高延性水泥基材料通过输送设备输送到3d打印机的材料存储系统中，将上述g-1文件和g-2文件载入打印控制软件repetier-host中，连接打印机，点击运行进行打印，打印每一切片分层时，先按照g-1文件的路径信息完成外侧高延性水泥基材料增强层的打印，再按照g-2文件的路径信息完成内部区域普通混凝土材料。一个切片分层打印完成之后，再按照同样的方法来打印后续切片，逐层叠加，完成整体结构的建造。
s6.混凝土结构养护：模型结构打印完成之后室温养护24h后移至标准养护室，控制温度为20±2℃，相对湿度为95±5％，养护28天，得到含有高延性水泥基材料增韧的混凝土结构。
本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。本发明所列举的实施例仅为所述的一种用高延性水泥基材料增韧3d打印混凝土结构的方法的一个应用案例。除此之外，如图6-12所示，本发明所述方法同样可以应用于矩形组合梁、回形组合柱、三明治板、波纹状组合板、工字形组合梁、t形组合梁、单向增强组合板、双向增强组合板。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明中所述的各个实施例和对比例的两种混凝土材料组合梁的制备均通过单一喷头的3d混凝土打印机分两次打印来实现的。如果设计有双喷头的3d混凝土打印机，则双材料的组合结构可一次性的完成制作。
本发明未述及之处适用于现有技术。