[发明专利]一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法

说明书

本发明涉及一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，包括以下步骤：1)构建水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台；2)在线实时采集在3D打印过程中的打印工艺参数；3)建立水泥基材料3D打印动态特性预测模型，评价水泥基材料3D打印质量，即水泥基材料的可打印性。与现有技术相比，本发明具有考虑因素全面、自动连续测试、适用性强等优点。

技术领域

本发明涉及水泥基材料3D打印检测技术领域，尤其是涉及一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法。

背景技术

水泥基材料3D打印是一项颠覆性的建造技术，区别于传统建造使用的混凝土材料，3D打印用水泥基材料必须具有可打印性。由于目前还没有相应的国家或行业标准，如何设计及评价混凝土打印性能是突破建筑3D打印技术瓶颈的关键。可打印性不仅与材料的流变性密切相关，同时也具有工艺依赖性。但现有的流变性测量技术并未考虑由于工艺而引起材料特性的动态变化，对可打印性的研究大多还处于定性阶段。本专利旨在建立一套水泥基材料可打印性的表征理论与测量技术，研发一个水泥基材料可打印动态特性的在线检测装置。实现可打印性检测从静态到动态，从离线到在线，从定性到定量的转变，推进材料的设计研发及打印工艺优化。

从材料科学与工程的角度，水泥基材料三维打印也是混凝土发展史上的重大转折。不同于传统混凝土材料，用于3D打印的水泥基材料需要有更加特殊的性能要求，以满足在3D打印工艺链中的可打印性，即可泵送性、可挤出性、可建造性。用于3D打印的水泥基材料需要有着与传统自密实水泥或喷浆水泥同样的流动性，以保证其可泵送性和可挤出性。同时，为了能够在打印过程中保持层的形态，可打印的水泥材料还需要满足在挤出后不会在重力作用下产生明显形变、保证打印精度的特性，即可建造性。因此，可打印水泥基材料的流变性设计、控制与测量显得尤为重要。合适的流变性能，能够使得水泥材料既能满足一定的流动性，同时也能保证打印过程中的可挤出性以及挤出后的可建造性。对于传统自密实水泥，流变仪是测量流变性能参数如屈服应力、粘度等最常用的仪器，如常见的旋转式流变仪(同轴圆柱式、叶轮式和平行板式)，以及应用较为少见的毛细管流变仪等。另外，即使是相同的水泥材料，不同的流变仪测试出来的结果也会不尽相同，因此常用的流变仪静态测试方法也无统一标准，而且流变仪的使用会比其他测试方法相对昂贵。由于用于3D打印的水泥基材料与传统自密实水泥基材料所要求的性能的差异性，传统的流变性能参数的测试方法不再适用，描述传统水泥流变性能的表征参数(如屈服应力、粘度等)也不能够充分描述用于3D打印水泥材料的可泵送性、可挤出性、可建造性等特性。

针对3D打印水泥基材料相关特性的表征参数以及测试方法目前并无统一的标准。针对3D打印水泥材料的可泵送性、可挤出性、可建造性等，常见的性能测试方法，诸如流动性测试、流动速度测试及流变性能测试等都不足以表征水泥基材料的打印性能，而现有的针对性测试方法因表征参数较少或测试方法过于繁琐，无法试验性评价水泥基材料的打印性能，特别是对在层叠工艺下材料的3D打印性能的测试及评价。针对3D打印水泥性能表征及测试，国内有不少专利开发了相应的测量装置及方法，包括针对新拌3D打印水泥承载力及形变量的测量装置及方法，以流动性、站立性两个性能指标表征3D打印水泥特性并同时测量的装置及方法，以及以时间为变量研究水泥基材料各项参数变化曲线以探究并优化其打印性能等。如中国专利《3D打印建筑砂浆工作性测试装置及应用》提出了一种可以表征不同打印砂浆工作性能的方法，通过挤压注射筒内的砂浆，测试挤出时间，量化砂浆的工作性能。该方法类似于流动测试方法，主要是可模拟一定压力材料的挤出性能变化趋势，但仍存在对挤出后材料的可建造性无法考量的问题。另外还有利用可塑造性表征3D打印水泥的特性，从成型时间、承载力、变形等表征参数予以测量表征。中国专利《一种建筑3D打印材料建造性能的测试装置及测试方法》提出了一种测试装置，依据测试出来的多个数据拟合并创建了表征3D打印水泥材料建造性能的参数，但仍是脱离实际3D打印工艺的静态测量方法。