基于压入法的3D打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法

本发明涉及建筑材料测试方法，特别涉及一种基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法。

背景技术：

1、超早期徐变指水泥基材料初凝至终凝时刻的这一区间的徐变，该时期的变形对3d打印水泥基材料的打印行为具有关键性的意义。而超早期水泥石力学行为具有粘、弹、塑性特征，无法使用传统徐变度测试方法对其进行测量。

2、短期徐变指的是水泥基材料在5min内的变化。尽管拆模硬化后混凝土的力学行为通常可以准确预测，但因水化反应加速力学性能的变换，使超早期混凝土的力学行为目前仍难以准确预测。本发明提出的测试方法旨在监测超早期龄期水泥石的徐变。

3、水泥石超早期的徐变，还能帮助模拟水泥石的多尺度响应，为预测水泥石宏观尺度行为的多尺度模型提供内在的输入特性。因此研究水泥石超早期徐变度测试方法及其预测方法具有重要意义。

4、专利cn 112697585 a提出的徐变方法只适用于龄期为28d之后的水泥石，并不适用于超早期水泥石徐变的测量；专利cn 103149094 a通过对试件施加载荷进行主动约束试验，利用补偿收缩试件进行自收缩试验，该方法用于龄期20h到24h之间水泥石徐变的测量，虽然该方法可以测试龄期较早的水泥石徐变，但是依然需要拆模，无法测量超早期水泥石徐变；专利cn 112485114 a基于maxwell模型建立了预测龄期为16h的水泥石长期徐变的方法，但该方法虽然适用于水泥石长期徐变，但并不适合描述水泥石短期加载徐变。

5、现有的传统徐变度测试方法很难对水泥石超早期徐变进行测量，因此，急需提出一种超早期短期徐变测试方法解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，通过压入法原理对水泥石超早期短期徐变进行预测，并利用压力机进行压入试验。首先基于压入法理论建立了适合水泥石的超早期徐变计算方法，结合试验得出了水泥石的超早期徐变测试方法及理论模型，从而解决了3d打印水泥基材料的可构建性性能问题，为预测水泥基材料宏观尺度行为的多尺度模型提供内在的输入特性。

2、本发明提供了一种基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其包括以下步骤：

3、s1、设计基于3d打印配合材料的水泥石超早期徐变度的配合比，并制备水泥石试件；

4、s2、利用圧入法对水泥石试件进行超早期短期徐变测试，并记录测试结果；

5、s3、根据步骤s2得到的测试结果，计算水泥石试件在短期恒载控制率加载条件下的徐变度，得到水泥石的徐变度数据，所述徐变度的具体表达式为：

6、

7、式中：j(t)为水泥石试件的徐变度，α为锥形压头的半角，h(t)为压入深度，f0为初始载荷，v为泊松比；

8、s4、通过步骤s2得到的测试结果和步骤s3得到的徐变度，利用一元非线性回归分析，得到burgers模型(伯格斯模型)中kelvin模型(开尔文模型)的粘性系数η2和弹性系数e2随时间变化的表达式为：

9、e2(t)＝aebt

10、η2(t)＝ce-dt

11、式中：a、b、c、d分别为修正kelvin模型中影响延迟时间增长速率的参数；

12、s5、将步骤s4得到的粘性系数η2和弹性系数e2的表达式，带入burgers模型，得到修正的burgers模型的表达式为：

13、

14、式中：j(t)为水泥石超早期的徐变度，e1为修正的burgers模型中弹簧元件的弹性系数，η1为修正的burgers模型中粘壶的粘性系数；

15、s6、将步骤s2得到的测试结果代入步骤s5得到的修正的burgers模型，得到3d打印水泥石超早期短期的徐变模型。

16、可优选的是，在步骤s2中，所述测试结果，其包括不同超早期时刻水泥石试件的压入深度-时间曲线和不同超早期时刻水泥石试件的载荷-时间的曲线。

17、可优选的是，在步骤s2中，所述压入法的加载压力的精度为0.1～0.5n，加载速度的精度为0.001～0.005mm/m。

18、可优选的是，在步骤s2中，所述压入法中压头为锥半角为45°的圆锥形压头，压头自身高度为10mm。

19、可优选的是，在步骤s2中，所述压头的材质为低碳钢，所述压头的弹性模量ei为206×103mpa，所述压头的泊松比vi为0.26。

20、可优选的是，在步骤s2中，在进行压入法试验时，所述压头的压入深度为5mm。

21、可优选的是，在步骤s2中，在进行压入法试验时，所述压头为匀速运动，所述匀速运动的速度为5mm/min，所述匀速运动的加载时间为1min，所述匀速运动的持载时间为5min。

22、可优选的是，在步骤s4中，参数a、b、c和d分别通过一元非线性回归分析得到。

23、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

24、1.本发明基于压入法理论，建立了适合水泥石的超早期徐变计算方法，结合试验得出了水泥石的超早期徐变测试方法。其提出一种能够快速准确测量3d打印水泥石超早期徐变的测试方法，通过构建水泥石超早期徐变模型，来准确的表征3d打印水泥石超早期的徐变行为，为模拟3d打印水泥石的多尺度响应提供理论支撑与技术支持同时整个测试过程不受拆模与尺寸误差的限制。

25、2.本发明基于接触力学和线性粘弹性力学，推导出了适用于计算处在超早期阶段的水泥石在一次短期荷载作用下徐变度的数学表达式，并将该表达式与超早期压入参数相结合，得到了一种能够对水泥石超早期短期徐变进行测试的试验方法。

26、3.本发明与传统徐变度测试方法相比，本测试方法具有简单便捷，试件无需拆模，不受尺寸误差限制等优点。通过研究3d打印水泥石超早期的徐变，可为水泥石多尺度建模提供内在输入特性，可以用来表征混凝土打印过程中的结构变形，对研究水泥石超早期材料相关特性具有指导意义。

技术特征：

1.一种基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，所述测试结果，其包括不同超早期时刻水泥石试件的压入深度-时间曲线和不同超早期时刻水泥石试件的载荷-时间曲线。

3.根据权利要求1所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，所述压入法的加载压力的精度为0.1～0.5n，加载速度的精度为0.001～0.005mm/m。

4.根据权利要求1或者3所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，所述压入法中压头为锥半角为45°的圆锥形压头，压头自身高度为10mm。

5.根据权利要求1或者3所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，所述压头的材质为低碳钢，所述压头的弹性模量ei为206×103mpa，所述压头的泊松比vi为0.26。

6.根据权利要求1或者2所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，在进行压入法试验时，所述压头的压入深度为5mm。

7.根据权利要求1或者2所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s2中，在进行压入法试验时，所述压头为匀速运动，所述匀速运动的速度为5mm/min，所述匀速运动的加载时间为1min，所述匀速运动的持载时间为5min。

8.根据权利要求1所述的基于压入法的3d打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，其特征在于，在步骤s4中，参数a、b、c和d分别通过一元非线性回归分析得到。

技术总结
本发明提供一种基于压入法的3D打印配比水泥石超早期短期徐变测试方法，具体步骤为：配置用于测试水泥石超早期徐变度的配合比，并制备水泥石试件；利用圧入法对水泥石试件进行超早期短期徐变测试，并记录测试结果；计算水泥石试件在短期恒载控制率加载条件下的徐变度；通过得到的测试结果和徐变度，利用一元非线性回归分析，得到Burgers模型中Kelvin模型的粘性系数η<subgt;2</subgt;和弹性系数E<subgt;2</subgt;；将粘性系数η<subgt;2</subgt;和弹性系数E<subgt;2</subgt;的表达式，带入Burgers模型，得到修正的Burgers模型；将测试结果代入修正的Burgers模型，来预测3D打印水泥石试件在超早期短期加载下的徐变。本发明得出了水泥石试件在初凝到终凝时刻内超早期的徐变模型，对3D打印水泥石超早期相关特性具有指导意义。

技术研发人员：王冬丽,董炳强,郑豪杰,李通,徐长治,郝进峰,邱永祥
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19