一种超声辅助喷嘴作用下3D打印混凝土性能研究--中国期刊网

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一种超声辅助喷嘴作用下3D打印混凝土性能研究

发表时间：2020/12/11 来源：《基层建设》2020年第24期作者：李旋

[导读] 摘要：本文研究了一种超声辅助喷嘴作用下3D打印混凝土的性能，其目的在于通过在混凝土从喷嘴挤出的过程中施加功率超声波，由此解决3D打印混凝土设备在使用过程中出现喷嘴堵塞的问题。

        武汉城市职业学院湖北武汉 430064
        摘要：本文研究了一种超声辅助喷嘴作用下3D打印混凝土的性能，其目的在于通过在混凝土从喷嘴挤出的过程中施加功率超声波，由此解决3D打印混凝土设备在使用过程中出现喷嘴堵塞的问题。
        关键词：超声波；3D打印混凝土；喷嘴装置
        1概述
        混凝土3D打印技术作为自动化建造技术的一种，是以建筑材料与数字模型作为基础，通过3D打印机将打印材料逐层堆积起来的建造工艺。近年来3D打印混凝土技术凭借其无模化、快速化、自动化、灵活化的优势在土木建筑等工程领域发展迅速。3D混凝土打印系统由运动系统、控制系统、供料和挤出系统组成。运动系统负责挤出系统在空间中的移动和定位。控制系统通过伺服电机的耦合作用控制着打印机的运动和混凝土的挤出。供料和挤出系统则包括混凝土搅拌机、泵送机和挤出机构，负责将混凝土浆体混合均匀后输送至挤出机构，并通过喷嘴将混凝土挤出至打印体。由于3D打印混凝土是将材料一层一层的堆积成型，每一层混凝土都比较薄，对混凝土材料的流动性和稳定性提出了较高的要求。同时，3D打印喷头与浆料的匹配性和浆料的流动性会影响打印质量，而且材料能否连续均匀地通过输料管以及顺利通过喷嘴进行沉积打印成为施工作业的关键，否则容易造成输送管道和打印喷头的堵塞，降低打印质量和工作效率，并给后续打印设备的清洗造成困难。
        超声波技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的高新技术之一，已在工业、化工、医学、石油化工等领域得到了广泛应用。当超声波作用于混凝土砂浆时，由于空化效应，降低了混凝土砂浆的黏度，增加材料的流动特性，从而可以改善挤出系统中堵管现象发生的概率，其相关机理已在公开发表的学术论文中得到充分的论述[1]。
        因此，如何避免3D打印混凝土设备在使用过程中可能出现的喷嘴堵塞现象从而提高混凝土材料的工作性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
        2超声辅助喷嘴装置介绍
        针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本文提供了一种超声辅助3D打印混凝土喷嘴装置及挤出系统，其目的在于通过在混凝土从喷嘴挤出的过程中施加功率超声波，由此解决3D打印混凝土设备在使用过程中出现喷嘴堵塞的技术问题。该装置包括：喷嘴壳体、超声波换能单元、超声波变幅机构、进料口和出料口（如图1所示）。

        图1       1、超声换能单元 2、进料口 3、超声波变幅机构 4、喷嘴壳体 5、出料口
        超声换能单元1安装在喷嘴装置的顶部，其作用是将电能转换为机械振动波，可作为声源输出系统；超声波变幅机构3可在较小的面积上聚集超声能量并将机械振动的振幅放大，进而将超声波均匀的作用于混凝土，同时超声波变幅机构3又作为混凝土材料的运输通道；喷嘴装置的最外层材料为金属保护外壳，主要防止对周围环境产生超声污染；出料口5用于将混凝土材料挤出并堆积成型。
        具体的，喷嘴装置在工作时，当混凝土材料通过进入到喷嘴装置后，超声换能单元1便开始工作，并产生高密度声强。当混凝土材料流经超声波变幅机构3时，超声波变幅机构3不仅作为材料的输送通道，还可以将超声波均匀的作用于混凝土，在超声波的空化效应及热效应作用下，使分子的热运动加剧，从而增加了混凝土的流动性，同时超声波可以改善混凝土的微观结构，增加混凝土的强度。经超声作用的混凝土通过所述出料口5挤出并堆积成型。最外层的所述喷嘴壳体4为金属材料制成，主要用来防止超声波的溢出，可避免对周围环境产生超声污染。
        3实验结论
        （1）流变实验
        本实施例中全部试验所采用的水泥为普通硅酸盐水泥（P0 42.5），拌合水采用普通自来水，骨料为符合国家规范的要求，并且所有材料的质量和各项技术指标均满足相应的国家标准和规范要求[2]，同时流变试验则采用Brookfield公司生产的R/S－SST软固体测试仪测量材料经超声处理后流变参数的改变。本试验中所采用的超声系统工作频率为130KHz，输出功率为1500W，对比试验与实施例的区别在于不开启超声系统。实施例与对比例的测试结果见表1：
        表1

        通过实例可以看到，相比于对比例，经超声波处理后的材料流变性均有较大改善，其塑性黏度和屈服应力均有不同程度的降低。这是由于超声波的高频振动和声流现象能够在浆体中形成有效的搅动和流动，同时空化气泡对固体表面产生的强烈射流和局部微冲流在理论上均能显著减弱浆体的塑性黏度及屈服应力。
        （2）强度实验
        经过超声处理后材料的强度也得到显著改善，同时强度试验也满足国家规范要求，实验结果如表2所示：
        表2

        通过实验可以看到，相比于对比例，经超声波处理后的材料强度，抗压强度提高了30%左右，抗折强度提高了20%。这是由于超声波促进了水泥的水化，使得水泥石结构更加密实，从而有效的改善了材料的力学性能。
        参考文献：
        [1]王志凯，吕文生，杨鹏，王志军，诸利一.超声波对充填料浆流变特性的影响及流变参数预测[J]中国有色金属学报.2018年07期.
        [2]《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17671-2020.