[发明专利]基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法

说明书

本发明涉及一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，具体步骤：（1）制作试件模具的3D模型；（2）采用水溶性材料HIPS打印出3D模型，得到模具；（3）制作混凝土试件；（4）混凝土试件脱模：混凝土试件初步成型后，将混凝土试件与模具整体浸入溶解液中，直至模具溶解，脱模后，对初步成型的混凝土试件进行养护，最终得到具有带高仿真裂缝的混凝土试件。该方法采用3D打印快速成型技术（即以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术），将真实裂缝先转化为数字模型，之后通过数字技术材料打印机打印出带裂缝的试件模具，以实现裂缝的模拟。

技术领域

本发明涉及一种3D打印快速成型技术，尤其是一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法。

背景技术

传统强度理论忽略了材料实际存在的微裂缝与缺陷，因而往往只能假定材料是均质连续的。因此微观上，材料其实都是带裂缝工作的，而不是理想化的。为弥补这种理论上与实际中的不严谨，断裂力学由此而生。随着断裂力学的进展以及工程中对混凝土带裂缝状态下工作性能的研究的迫切性增强，对混凝土的断裂性能的研究也而越来越深入。

当前，为方便对混凝土断裂性能测试，往往采用直接拉伸法、楔入劈拉法、紧凑拉伸法，以及国际材料与结构实验室联合会推荐采用“三点弯曲法”来测试混凝土的断裂韧度等等断裂性能。然而由于对比试验研究需存在不变量与变量，而在工程现场找到各种裂缝与缺陷全部或部分相同的混凝土样本做试件基本是不可能的，故无论采用上述哪种方法，其对应的试验试件都只能通过预制模拟裂缝来获取带裂缝的试件。但是这种模拟裂缝是极其理想化的，存在以下两个不足：

第一、模拟裂缝模拟出的往往是局部的条数有限的且形状规则的裂缝，但不能全面精确地模拟出试件中存在的所有的真实的裂缝。

第二、传统的模拟裂缝的方法，一般是预埋法与锯割法。这些方法往往很难做出对微裂缝，内部裂缝等等实际中常见的裂缝的模拟。此外，由于预埋与锯割有很大的人为因素，故很难保证制作的同组试件裂缝完全相同。无法做到试件标准化会对试验研究的严谨性产生影响。

由于当前模拟裂缝的局限性，通常只能局部地研究混凝土试件的断裂性能。因此，为了能够整体地、全面地、更真实地模拟出带裂缝的混凝土试件以提升混凝土断裂的研究广度和深度，混凝土断裂性能试验研究领域迫切需要一种比较完善的制作带裂缝混凝土试件的方法。虽然国内外已有建筑3d打印混凝土的技术，似乎可以直接打印出带裂缝混凝土试件，但是考虑到当前国内外水泥基建筑3D打印材料主要原料是由快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料,以及尾矿机制砂,通过添加复合调凝剂和复合体积稳定剂等制备而成的。这种打印材料需要满足该材料在管道内和喷头内自由流动而不堵塞管道和喷头，故其原材料和质量要求与传统混凝土大相径庭，也就是说3d打印混凝土只是广义上的混凝土，而不是普通水泥混凝土。因此直接用3d打印制备出的混凝土试件并不具备混凝土断裂性能研究上的普遍性。

为此，本发明则从另一个思路出发即：即利用3d打印技术打印出混凝土试件的模具。此外，为便于脱模，本发明引入一种水溶性材料HIPS做模具的打印材料，使得脱模时模具在柠檬烯下可自行溶解，以保证带裂缝混凝土试件顺利完整地脱模。

发明内容

针对上面现有的模拟裂缝技术的不足，本发明提供了一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，该方法采用3D打印快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，将真实裂缝先转化为数字模型，之后通过数字技术材料打印机来实现裂缝的模拟。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，具体包括如下步骤：

(1)制作试件模具的3D模型

根据研究需求，由所需混凝土试件中裂缝的形态和分布，包括裂缝的大小、倾角、分布情况，模拟制作试件模具的3D模型；