螺旋叶片几何形状对3D打印混凝土流变性能及挤出性能的影响

来源：智慧土木

研究背景

近年来，3D打印技术（也叫增材制造）在世界各地的许多领域都得到了研究和发展。在民用建筑行业中应用最广泛的增材制造技术是基于挤压的3D打印混凝土。基于挤压的3D打印混凝土技术具有不需要模板、工程成本低、提高施工人员的安全、建筑风格更自由等诸多优势。然而，3D打印混凝土施工也有缺点。例如，可能需要添加缓凝剂，使混凝土易于挤出，但在成型过程中也可能需要添加速凝剂，使新形成的混凝土结构不会坍塌。也就是说，在不同的施工过程中，对打印材料的要求是不同的。而这些要求，比如可挤压性和可施工性，有时是相互矛盾的。当3D打印水泥砂浆含水率高、粘聚力低时，其挤出性容易满足，但打印结构容易坍塌。但如果3D打印水泥砂浆含水量低，粘聚力高，则打印结构相对稳定，但水泥砂浆可能不会被挤出。可打印混合料是否具有良好的可挤压性和可建造性，取决于可打印混合料的流变性能。也就是说，如果混合料具有适合给定打印参数的适当流变性能，无论螺旋叶片几何形状如何，混合料应是可挤出的。然而，搅拌机（包括叶片几何形状和搅拌方法）会影响混凝土混合料的流变性能，进而影响其挤出性。
来自同济大学结构工程系肖建庄课题组的研究人员在《Automation in Construction》期刊上发表了”Effect of spiral blade geometry on 3D-printed concrete rheological properties and extrudability using discrete event modeling“一文，系统探讨了螺旋叶片几何形状对3D打印混凝土流变性能及挤出性能的影响。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104199

研究出发点

在过去的十年里，已经开发了相当多的实验和数值技术，分析了叶片几何形状对混凝土搅拌的影响。然而，对3D混凝土打印机叶片形状效果的研究还很有限。由于混凝土的非均质性，如何在有限的数据基础上充分考虑材料性质，生成相对完整的离散元模型，是相关研究面临的最大挑战。基于此，本文研究了螺旋叶片几何形状对3D打印混凝土流变性能及挤出性能的影响。

研究内容

螺旋叶片的尺寸和形状对3D打印混凝土施工有很大的影响。本研究旨在回答两个研究问题：螺旋叶片几何形状如何影响3D打印混合物的流变性能？3D打印混合料的流变性能对最终挤出性能有什么影响？本文采用颗粒与液体桥结合形成的离散元模型，主要讨论了叶片半径、螺杆半径、叶片层数和叶片转速对打印喷嘴处颗粒流挤出速度的影响。为了研究3D打印过程中颗粒流与叶片几何形状之间的复杂相互作用，利用开源软件YADE建立了虚拟3D打印机。泵叶片的尺寸、形状、转速等参数会影响混凝土混合料的流变性能，进而影响其可挤出性。因此，在改变泵叶片尺寸、形状和转速的情况下，计算和分析了颗粒基混凝土材料在打印喷嘴处的流速。

图1 三种不同类型的叶片图像：(a) 刀片在3D打印机中的位置；(b) 无轴螺旋叶片；(c) 带轴的螺旋叶片；(d) 连续螺旋叶片

图2 两个粒子之间的液体桥：(a) 配置；(b) 液桥的粘聚距离关系

图3 3D混凝土打印俯视图，不同转速分别为21.5 rpm、25.0 rpm、32.5 rpm、42.5 rpm、50.0 rpm

图4 3D打印混凝土挤出不同角速度：(a) 侧视图；(b) 俯视图；(c) 颗粒流速分布

图5 采用不同叶片尺寸的设备挤出3D打印混凝土：(a)侧视图；(b)喷嘴颗粒速度分布

主要结论

本文采用颗粒与液体桥粘结形成的离散元模型，分析了3D打印机刀片尺寸、形状和转速对水泥基材料可挤出性的影响。利用开源软件YADE进行混凝土挤压3D打印仿真。通过一些数值实验，得出以下结论，为这两个研究问题提供参考。

1.   液体桥γ的表面张力对3D打印混合料的流变性能有显著影响。结果表明：对于无螺旋叶片的3D打印混凝土，当液体表面张力γ从1.4 N/m增加到2.9 N/m时，条宽喷嘴直径比从1.5减小到1.0；而对于螺旋叶片3D打印混凝土，当液体表面张力γ从2.0 N/m增加到9.0 N/m时，条宽-喷嘴直径比从1.8减小到1.0。

2.   3D打印机刀片尺寸、形状和转速对水泥基材料挤出性能的随机影响是不可忽视的。结果表明：当叶片转速从10 rad/s变化到50 rad/s时，喷嘴处的平均挤出速度变化范围为12%左右，标准差为71%左右。当螺杆半径从0.01 m变化到0.03 m时，平均挤出速度在喷嘴处的变化范围为3%左右，标准差为26%左右。当3D打印机刀片层数由1.0改变为2.5时，喷嘴处平均挤出速度变化约为6%，标准差变化约为47%。当叶片半径由0.1 m调整到0.125 m时，喷嘴处的平均挤出速度变化量约为24%，标准差变化量约为69%。

综上所述，通过一系列的统计分析，表明螺旋叶片的几何形状对3D打印混合料的流变性能有相当大的影响。此外，3D打印混合料流变特性的随机效应对最终挤出性能的影响也不容忽视。因此，螺旋叶片几何形状对3D打印混凝土混合料最终挤出性能的间接影响应得到高度重视。虽然所提出的方法合理地考虑了液体桥的表面张力，但如何进行自主量化仍具有挑战性，特别是在3D打印施工过程中特征随时间变化时。因此，未来的研究应集中在如何改进所提出的方法，使自主式液体桥张力更具可控性。