数字制造混凝土整体屈服应力质量控制：从on-line到in-line

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：From on-line to in-line quality control of the bulk yield stress for digitally fabricated concrete

　　

高分辨率质量控制对于生产经过材料最小化优化的可靠混凝土产品至关重要。为此，in-line测量具有很大潜力，因为它能够以高频率测量随后用于产品的材料。本文评估了多种in-line测量与沉积时整体屈服强度之间的相关程度。为此，研究人员提出了一种新方法，可校正流量变化对in-line读数的贡献，从而提高预测能力。研究在一个配备多种in-line传感器的3D混凝土打印系统上开展了试验。研究发现，泵送电机功率与沉积时屈服应力的相关性最弱，调整后R²为0.28，原因在于泵的效率低，导致测量中存在噪声。直圆柱管段上的压差以及为使该直钢管产生振荡扭矩所需的扭力与沉积时屈服应力呈中等相关性，调整后R²分别为0.53和0.46，其原因在于整体混凝土未发生屈服。最后，喷嘴上的压差与沉积时整体屈服强度呈良好相关性，调整后R²为0.76，原因在于整体混凝土发生了屈服。因此，建议在in-line质量控制中测量喷嘴压差以监测整体屈服应力。

研究背景：数字制造混凝土（Digital Fabrication with Concrete, DFC）因其提高生产率和可持续性的潜力而受到关注。DFC方法消除了模板限制，并利用自动化将结构塑造成最优形态。然而，DFC过程对材料性能的要求相互矛盾：可泵送性要求低强度和低粘度，而可建造性要求高强度和刚度。流变特性和流量的变化会影响沉积几何形状，进而影响承载能力、耐久性和外观。当产品以材料最小化为优化目标时，其鲁棒性会因小缺陷对构件抗力产生较大影响而降低。同时，DFC生产系统通常处理量较小，材料变化大且不易被衰减。

传统off-line试验劳动强度大，且材料处理方式不同，结果可能无法代表产物中的真实材料。近喷嘴试验如slugs试验、悬臂梁试验和反向slugs试验虽可用于质量控制，但由于具有破坏性，只能在生产前或生产后进行。因此，in-line测量被寄予厚望，可在生产过程中直接测量材料。已有研究尝试使用泵送电机功率作为质量控制指标，但存在摩擦噪声、测量体积过大导致分辨率低、上游流变特性不代表下游等问题。针对DFC过程中材料通常不处于静止状态这一特点，需要一种高分辨率in-line测量方法，用于预测沉积时的整体屈服应力（bulk yield stress），因为整体屈服应力影响泵的吸入效率、层几何形状、初始可建造性以及材料的时间均匀性。

研究人员在荷兰埃因霍温理工大学结构实验室的3D混凝土打印系统上开展试验，使用商用干混料Weber 160-2。研究比较了电机功率、直管段压差、扭力激励电流和喷嘴前压力四种in-line测量与slugs试验所得整体屈服应力的相关性，并提出流动脉冲法（flow pulse method）校正流量变化对in-line读数的影响。结果表明，喷嘴前压力与沉积时整体屈服应力相关性最好，调整后R