《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：In-process reinforcement method for 3D-printed concrete layers
编辑推荐：
3D打印混凝土的自动化纤维网片集成方法及性能研究|混凝土流道设计优化|纤维增强打印结构|绿色强度提升|抗压抗弯性能验证
查曼·莫迪（Chaman Modi）| 曼尼什·库马尔（Manish Kumar）| 克里希纳·西瓦·特贾·乔珀拉（Krishna Siva Teja Chopperla）
印度甘地纳加尔理工学院（Indian Institute of Technology Gandhinagar）土木工程系，甘地纳加尔 382055，印度
摘要
目前用于增强3D打印混凝土层的方法需要人工干预，导致混凝土与增强材料之间的粘结效果较差，或者使混凝土流动受到干扰。本文提出了一种自动化增强方法。打印头将进入的混凝土流分成两部分，并在逐渐缩小的出口处将这两股流体合并，同时从集成线轴中输送纤维网并将其嵌入打印层中。使用这种方法的纤维增强混凝土沿着直线和曲线路径进行打印。较大的路径半径有助于减少曲线路径上纤维网（以及混凝土）的平面外变形。打印头的锥形设计减少了纤维网附近的空洞数量，并提高了新鲜状态下的混凝土强度和纤维网的拔出力。从打印梁中提取的立方体显示出与模铸样品相当的强度。纤维网的存在显著提高了打印梁的变形能力。
引言
三维混凝土打印（3DCP）技术在过去十年中被用于建造各种结构和物体，例如建筑物、桥梁、立面和模板[1]、[2]、[3]。该技术因其能够自动化施工过程的许多环节（例如[4]），以及其在结构中产生美观效果的能力（例如[5]）而受到关注。3DCP最常用的方法是基于挤出的方式，即逐层沉积混凝土。与此方法相关的是，人们在开发可打印混合物（例如[6]、[7]、[8]）和自动化创新方法（例如[9]、[10]）方面付出了大量努力。传统的混凝土结构包含混凝土和钢筋，以系统地抵抗压缩和拉伸应力。然而，最基本的3DCP挤出方法不允许在打印过程中集成钢筋。过去曾尝试将钢筋与打印混凝土层结合，相关细节将在下文中讨论。
一种常见的增强打印混凝土的方法是在新鲜混凝土中添加切碎的纤维（例如钢[11]、聚乙烯醇[12]、聚丙烯[13]、聚乙烯[14]、玻璃[15]、玄武岩[15]、碳[16]）。虽然这种方法确实提高了打印混凝土的机械性能（例如[17]），但纤维的不连续性会影响混凝土与钢筋之间的应力传递（例如[18]）。此外，纤维还可能增加堵塞的风险（例如[11]）。另一种“预增强”方法是在打印前先搭建钢筋笼，然后从笼子的不同侧面逐层沉积混凝土（例如[19]）。这种方法需要大量的人工干预，且结果容易受到钢筋笼制造误差的影响。
另一种增强打印混凝土层的方法是在打印层中插入金属物体，如钢筋条、订书钉和U形钉（例如[20]、[21]、[22]）。最近，还展示了在打印层上放置穿孔条以实现跨层金属增强插入的方法[23]。在这些方法中，打印过程会暂停以便手动或自动插入增强材料。然而，由于打印混凝土的屈服强度较高，钢筋与打印混凝土之间的粘结可能不够牢固。最后，金属增强材料与打印混凝土暴露表面之间的相对较小间隙可能会导致腐蚀相关的问题。
也开发了实现连续“过程中”增强打印层的方法。例如，使混凝土通过一个同时输入金属或非金属电缆的喷嘴（例如[24]、[25]、[26]）。通过这种方法打印的混凝土中电缆的位置和方向可能是不确定的[27]。Marchment和Sanjayan[18]开发了一种跨层增强打印层的方法，其中输入的混凝土通过两个通道流动，这两个通道最终合并并夹住一个垂直方向的钢筋网。从两个通道流出的混凝土相互干扰，影响了打印的整体质量。图1(a)展示了所采用的打印过程示意图。该方法后来也被扩展到包括曲线路径[28]。Neef等人[29]开发了一种层内增强打印层的方法，其中通过主通道输入的矿物浸渍碳纤维（MCF）网与混凝土结合；见图1(b)。Lin等人[30]提出了一种层间（相邻层之间）增强打印层的方法。在打印的工程水泥基混凝土（ECC）层上涂覆环氧树脂，然后放置碳纤维网并再涂一层环氧树脂；见图1(c)。Teng等人[31]也开发了类似的方法，他们在打印的混凝土层上沉积了一层应变硬化水泥基复合材料（SHCC），然后再放置碳纤维网；见图1(d)。
从上述讨论中可以看出，系统化和自动化的打印混凝土层增强技术可能促进3D混凝土打印技术的更多应用。尽管在跨层添加纤维增强材料方面取得了一些成功，但来自两个通道的混凝土之间的干扰仍然是一个挑战。尝试引入“层内”或“层间”纤维网增强需要人工干预、复杂的打印头和/或多个步骤来打印带有增强材料的层。复杂的打印头在工业应用中可能具有挑战性。此外，较长的层循环时间会导致“层间”区域形成更多的空气孔隙。本研究专注于在打印过程中同步集成连续的纤维网增强材料。这是通过一个将混凝土流分成两个通道并在出口处合并的打印头来实现的。在这个过程中，两个混凝土通道将纤维网拖动并夹在其中，从而产生具有“层内”纤维增强的层。
本研究的目标如下：（1）开发一种打印头，以便实现打印混凝土层的“层内”增强；（2）通过打印具有不同几何形状的物体来展示该方法；（3）表征带有和不带有“层内”增强的新鲜打印混凝土；（4）评估“层内”纤维网对打印梁的横向力-位移响应的影响；（5）对带有“层间”和“层内”纤维网增强的混凝土进行微观研究。第2节介绍了用于打印的材料细节。第3节介绍了打印头的结构、工作原理以及选定的输出物体。第4节描述了测试方法，以评估纤维增强对新鲜状态下混凝土强度、纤维网拔出力、硬化后的抗压和抗弯强度以及微观观察下的孔隙的影响。第5节展示了测试结果，第6节包含了讨论。第7节总结了研究结论。
章节摘录
材料
本节介绍了打印过程中使用的混凝土混合物和玻璃纤维网的详细信息。
混凝土打印装置
本节介绍了混凝土打印装置的详细信息，该装置有助于打印头在打印层中集成纤维网增强材料时的顺畅移动。
方法论
本节介绍了为测量混凝土混合物的流变性能以及纤维网增强对新鲜状态和硬化状态混凝土性能影响的测试细节。同时还介绍了评估不同增强策略有效性的微观研究细节。
讨论
本文展示了一种新的打印方法，该方法在打印过程中集成纤维网增强材料，利用混凝土流动将纤维网拖入要打印的层中。此外，增强后的混凝土层通过一个逐渐变窄的通道，以实现压实。后续部分讨论了打印层的变形特性以及新鲜状态和硬化状态下的行为。
结论
本文提出了一种自动化方式，在混凝土层中集成纤维网增强材料的方法。为此，开发了一种基于龙门架的打印机和打印头。打印头被设计为将输入的混凝土流分成两部分，并在逐渐缩小的出口处重新合并。在这个过程中，两个混凝土通道会从打印头内的线轴中拖动纤维网增强材料，然后将纤维网夹在混凝土层中
作者贡献声明
查曼·莫迪（Chaman Modi）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论设计、调查、数据分析、概念化。曼尼什·库马尔（Manish Kumar）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论设计、调查、资金获取、概念化。克里希纳·西瓦·特贾·乔珀拉（Krishna Siva Teja Chopperla）：撰写——审阅与编辑、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项工作得到了印度政府科技部的Nidhi Prayas资助。同时也非常感谢IIT甘地纳加尔分校的财政支持。
