[发明专利]一种空间骨料增强3D打印混凝土结构的建造方法

说明书

本发明公开了一种空间骨料增强3D打印混凝土结构的建造方法：选取结构构件，进行力学分析，确定植入筋材或编入绳/线材的基本用量和打印编织流程；确定空间骨料类型、定位和掺量；配制3D打印材料；根据选定的空间刚性骨料的定位和掺量，编辑空间骨料的电磁信号和定位推送程序；沿打印编织流程路径挤出3D打印材料和植入筋材或编入绳/线材，同时均匀撒入空间刚性骨料，分别实现空间骨料间的链接和空间骨料与筋材、绳材或线材的链接，逐层建造后叠加、硬化成型后一次性形成；或分段打印后形成空间骨料增强3D打印混凝土结构。该建造方法可以形成连续增强空间骨料，有效改善混凝土结构空间的受力性能，提高混凝土结构空间的抗拉强度和抗裂能力。

技术领域

本发明属于建筑材料、建筑结构和造型设计等技术领域，特别涉及一种空间骨料增强3D打印混凝土结构的建造方法。

背景技术

3D打印作为一种快速成型、增材制造技术，自发明以来，在各个行业得到迅速广泛的推广。3D打印建筑及构筑物能够有效减少建筑垃圾，提升施工效率，缩短工期，减少人工，提升机械化水平，整体上做到节能减排，有助于环境改善。由于3D打印可由计算机控制实现空间任意造型设计，能够将结构受力与建筑美学相结合，体现出建筑的艺术性。由于技术的独特性，无法在3D打印的混凝土之中进行配筋，导致大部分3D打印建筑为纯混凝土结构，由于打印工艺导致成型结构呈现各向异性，存在明显层条缺陷。即使添加各种柔性纤维，也难以按照承载需求空间连续分布，导致材料抗拉强度严重不足，破坏模式呈现明显脆性特征。

CN 104961367 A提出一种利用条形钢纤维混凝土3D打印建筑物的专利，采用直径5厘米以内，长度10厘米以内的钢纤维按需要精准进行分布设计，在打印时投入混凝土增强混凝土受力性能。但这种钢纤维的长细范围和空间不连续分布的增强方式，对打印层间界面抗剪性能的提升非常有限，很难满足结构功能和安全需求。CN 106738898 A提出一种可编程定向短纤维复合材料3D打印方法及装置，利用磁力定位长度为0.05-2mm，长径比为2-10的短细磁化纤维制作复合材料板。CN 10971985 A提出一种3D打印电磁吸波混凝土定向辖内分级供料系统。本课题组提出一种3D打印编织混凝土结构的建造方法CN109227875A，把柔性的绳/线材通过射钉定位一体化编织建造增强混凝土结构，实现了连续增强打印混凝土结构。现有的植筋技术对打印流程适应有限，而且很难适应空间变化增强需求。本课题组提出的绳、线编织尽管适应打印工艺和空间增强需求，实现了一体化增强制造工艺，但由于绳、线只能放在层条间隙，而绳、线材表面的机械咬合和摩擦提供的粘结性能不足以保持结构在各个工况下的承载性能，导致结构的开裂集中在个别裂缝，空间抗剪性能薄弱，结构正常使用极限状态性能亟待提升。德国发明家Kai Parthy提出网状钢纤维填充的解决思路，利用空间环通过喷头或者手工，填入混凝土之中，以保证打印结构在XYZ三个方向上均有较强的承载能力，且改善结构破坏模式。但这种空间环长径比过大很难在打印过程中保持空间角度，边界光滑造成粘结作用有限，对整体结构性能的增强效率不佳。

因此，如何解决3D打印混凝土结构空间配筋的不足和困难，增强3D打印混凝土结构整体空间受力性能，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间骨料增强3D打印混凝土结构的建造方法，可以形成连续增强空间骨料，有效改善混凝土结构空间的受力性能，提高混凝土结构空间的抗拉强度和抗裂能力。

本发明提供如下技术方案：

一种空间骨料增强3D打印混凝土结构的建造方法，所述建造方法包括以下步骤：

(1)选取结构构件，进行力学分析，根据结构构件承载力极限状态下应力分布和大小确定植入筋材或编入绳/线材的基本用量和打印编织流程；