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


背景技術：

2.3d打印混凝土技術是將混凝土結構建造與數(shù)字模型緊密結合的新型建造工藝，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構。將3d打印概念應用到混凝土結構中，有許多傳統(tǒng)建造工藝所不具備的優(yōu)點：結構形式靈活、建造速度快、精細化程度較高、人工需求較少、對環(huán)境較為友好等。
3.但是3d打印混凝土結構同樣也有著傳統(tǒng)混凝土結構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構的承載力；此外，由于鋼筋是延性材料，屈服時有明顯的變形，使得鋼筋混凝土結構的延性提高，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打印混凝土結構的受力性能，有添加纖維、預設鋼纜、改進打印機工藝以及分層鋪設筋材等方法，大部分方法無法起到傳統(tǒng)鋼筋籠那樣全面的加強作用。


技術實現(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打印混凝土構件的打印及配筋方法，該方法利用錯縫打印的方法對3d打印混凝土結構減輕3d打印各向異性的影響，同時配置了受拉縱筋、架立筋及箍筋一體化的配筋，形成了拼裝筋籠，提升3d打印混凝土結構的受力性能。
5.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種3d打印混凝土構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打印結構的混凝土，充分拌和之后，并測試相關的打印性能，需滿足各項性能要求，否則應當調整或重新配制，直至滿足要求；
7.步驟二：根據(jù)設計要求，確定構件的相關參數(shù)，設備的相關參數(shù)以及配筋的相關參數(shù)；
8.所述構件的相關參數(shù)包括長度、寬度以及荷載等；所述設備的相關參數(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筋格，重復打印混凝土層和鋪設筋格，直至形成完整的拼裝筋籠，最后覆蓋混凝土，形成完整的構件。
10.進一步地，所述步驟一中設計的混凝土強度等級≥c20，且≤c50；
11.進一步地，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，并應符合現(xiàn)行國家標準《通用硅酸鹽水泥》gb175的規(guī)定。當采用其他品種水泥時，其性能指標應符合國家現(xiàn)行相關標準的規(guī)定；
12.進一步地，粗骨料宜選用級配合理、粒型良好，質地堅固的碎石或卵石，最大公稱粒徑≤10mm，且應根據(jù)實際打印設備的擠出頭的出口直徑r與筋材直徑r進行調整，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候，可能會出現(xiàn)粗骨料在混凝土中滑移而造成機械損傷，此外，筋材的插入也可能會由于粒徑過大的粗骨料而導致箍筋肢插入時出現(xiàn)偏差；
13.優(yōu)選地，粗骨料的粒徑為5～10mm；
14.進一步地，粗骨料的含泥量≤1％；
15.進一步地，細骨料宜選用級配ⅱ區(qū)的中砂。包括但不局限于河沙、海砂、機制砂及再生砂；
16.進一步地，所述步驟一中配制3d打印混凝土時配合比無需統(tǒng)一，配制的混凝土只需要滿足相關的性能要求即可；
17.進一步地，所述步驟一中的混凝土性能測試要求正式打印前應當進行試配工作，攪拌混凝土時不應出現(xiàn)離析、泌水的現(xiàn)象；
18.進一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的可擠出性：打印時可以觀察到連續(xù)均勻、無堵塞、無明顯的拉裂；
19.進一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的可建造性：打印時形態(tài)保持穩(wěn)定且不倒塌；
20.進一步地，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，需要較大的流動性，減少筋材的影響，同時可以填充放置筋材的時候造成的缺陷；
21.進一步地，所述步驟一中的性能要求混凝土的凝結時間應滿足可打印時間的要求；
22.進一步地，所述步驟二中的構件的相關參數(shù)要結合打印設備的尺寸調整后確定；
23.進一步地，所述步驟二中的設備為普通的混凝土打印機即可；
24.進一步地，所述步驟二中的設備的參數(shù)包括混凝土擠出頭尺寸要根據(jù)打印的構件的尺寸共同確定；
25.進一步地，所述步驟二中的設備參數(shù)還包括混凝土的擠出量，具體擠出量要根據(jù)構件的尺寸共同確定，要求能夠達到每一層的高度的同時打印不中斷；
26.進一步地，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)構件尺寸確定，當構件高度h＜800mm時，θ＝45
°
；當構件高度h≥800mm時，θ＝60
°
；
28.縱筋的彎鉤角度和長度與《混凝土結構設計規(guī)范》保持一致；
29.進一步地，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)結即可；
30.進一步地，所述步驟二中使用的筋材包括但不僅限于鋼筋、復合筋等；
31.進一步地，所述步驟三中的打印混凝土要求錯縫打印，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，防止加載時出現(xiàn)平行于接縫方向的分力；
32.進一步地，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.進一步地，所述步驟三中的打印層數(shù)需要根據(jù)實際尺寸決定，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件尺寸要略大，硬化后再對多余的、不平整的部位進行干切，先粗略濕切、干燥硬化后干切能夠防止對構件產生初始機械損傷；
35.進一步地，所述步驟三中的鋪設筋格要求縱筋盡量避免置于混凝土的接縫中，防止出現(xiàn)混凝土與筋材粘結不足的情況；
36.進一步地，所述步驟三中鋪設筋格時，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.進一步地，所述步驟三中重復打印混凝土以及鋪設筋格的步驟，直至形成完整的拼裝筋籠，覆蓋最后一層打印混凝土，養(yǎng)護完成后，將打印構件旋轉90
°
后投入正常使用，如圖5所示。
38.與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
39.⑴
錯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)結可以抵抗剪力，同時也可以設置彎起筋以共同抵抗剪力，由于是由多段筋材聯(lián)結為一體，可以在混凝土的角部同樣設置彎起；
41.⑶
受拉縱筋和架立筋聯(lián)結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；同時筋籠能夠保證雙側筋都有足夠的承載能力，架立筋可以起負筋的作用，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是打印構件旋轉90
°
后投入正常使用的示意圖。
47.圖6是實施例1的打印路徑示意圖。
48.圖7是實施例1的錯縫打印及配筋局部示意圖。
49.圖8是實施例2的打印路徑示意圖。
50.圖9是實施例2的錯縫打印及配筋局部示意圖。
51.圖10是實施例4的打印路徑示意圖。
52.圖11是實施例4的普通打印及配筋局部示意圖。
具體實施方式
53.下面通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。
54.實施例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計算。
[0059]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土時不應出現(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，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]
構件為梁構件，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，錯縫打印，如圖6、7所示
[0063]
打印構件相關信息如表2所示：
[0064]
表2實施例#1相關參數(shù)
[0065][0066]
實施例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計算。
[0071]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土時不應出現(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，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]
構件為梁構件，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，錯縫打印，如圖8、9所示
[0075]
打印構件相關信息如表4所示：
[0076]
表4實施例#2相關參數(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計算。
[0084]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土時出現(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，觀察到混凝土連續(xù)、無堵塞，但不均勻，打印上層混凝土時，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計算。
[0091]
按照上述配合比配制混凝土并攪拌，攪拌混凝土時不應出現(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，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]
構件為梁構件，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，不錯縫打印，如圖10、11所示
[0095]
打印構件相關信息如表7所示：
[0096]
表7實施例4相關參數(shù)
[0097][0098]
由于沒有錯縫打印，抗彎承載力以及抗剪承載力出現(xiàn)了明顯的下降，因此錯縫打印可以提升3d打印混凝土構件的承載力，按照本發(fā)明的錯縫打印方法操作能夠一定程度提高3d打印混凝土構件的受力性能。