一种3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置及其方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，涉及混凝土结构件测试装置，具体地说，涉及一种3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置及其方法。

背景技术

3D打印技术又名“增材技术”，是指通过建筑材料连续叠加，生成三维实体的一种技术，已在工业设计、航空航天，医疗卫生等领域取得较多成果。近年来，该技术已成为国内外重点研究的“快速成型技术”。

目前，3D打印技术主要采用挤出堆积式工艺，即按照预先设定的打印程序，将水泥基材料通过挤出装置中的喷嘴进行打印，最终获得打印的混凝土构件。不同于传统的模板浇筑振捣过程，3D打印水泥基材料从打印喷头持续挤出并层层堆积的过程中，难以避免地引入一定量的空隙，会使打印构件出现分层现象，层与层之间出现明显的结合界面，成为整体结构的薄弱处。且在材料凝结硬化的过程中由于没有外力振捣，层间弱面会变得更为明显。层间弱面的的出现，会导致结构产生不协调的变形、不连续的力学性能，当构件受到外力作用后，层间弱面会由于应力集中而发生破坏，虽然混凝土在工作时不依靠其抗拉强度，但抗拉强度对于抗开裂性具有重要意义，在结构设计中是确定混凝土开裂能力的重要指标，因此有必要对3D打印水泥基材料的层间抗拉强度进行测定。目前现有的3D打印混凝土层间强度抗拉强度测试方法主要可以概括为以下三种：

①通过在打印混凝土试块上下表面涂抹粘结剂，再用万能试验机进行抗拉强度测试；

②通过劈裂试验来推算层间抗拉强度；

③通过在3D打印壳体内部加入拉拔钢筋，再用液压材料性能试验机进行加载。

上述的三种方法均存在不足之处，其中：

第①种方法通过在试块表面涂抹粘结剂，在万能试验机压缩过程中会存在脱胶的风险，且可能存在拉伸不均匀。

第②种方法虽然劈裂试验操作简单，但劈裂试验的测试结果与真实值存在一定偏差。

第③种方法钢筋在混凝土内部受力不均匀，且拉拔钢筋在打印过程中对中较为困难。因此，目前还没有有效可靠的3D打印混凝土构件的层间抗拉强度测试装置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种3D 打印混凝土层间抗拉强度测试装置与方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置，包括底座、一对支柱和横梁构成的框架，其特征在于，在支柱上有一对上下移动的活动钢梁，在活动钢梁中央上下对称设置有千斤顶，千斤顶两侧设有可水平移动的弹簧伸缩柱，在弹簧伸缩柱的底端连接有钢盖板，在活动钢梁之间的支柱的两侧设置有水平加载系统，水平加载系统通过螺栓螺母连接有用于固定待测混凝土试块的抗拉强度测试套膜。

根据本发明，所述的抗拉强度测试套膜由两块夹持板连接于连接板两侧组成，在连接板的内侧沿连接板的宽度方向设有第一轨道，使得夹持板通过第一轨道沿连接板的宽度方向水平移动；在夹持板内侧设置有第二轨道，在夹持板的宽度方向均匀分布有多个锥形夹具，且锥形夹具通过第二轨道沿夹持板内侧的宽度方向水平移动。

上述3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置用于测试3D打印混凝土层间抗拉强度的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)采用挤出堆积式工艺打印出混凝土，打印喷嘴采用40mm直径，打印高度为20mm，打印长度为240mm，打印层数为8层，并进行养护；

(2)对混凝土条带进行切割，以获得160×160×40mm的待测混凝土试块；

(3)计算待测混凝土试块层间接触面面积S；

(4)将切割后的待测混凝土试块放入3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置中，在放入3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置前，先在待测混凝土试块的第3-6层上、下表面涂抹粘结剂，随后通过移动活动钢梁和弹簧伸缩柱，用钢盖板夹住待测混凝土试块的第3-6层，待测混凝土试块两端的剩余部分，则通过两侧的抗拉强度测试套膜的夹持板的移动和锥形夹具的移动对待侧混凝土试块8的凹槽进行贴合紧固；以使待测混凝土试块的左右两侧混凝土条带分别形成整体，在抗拉强度测试套模两侧连接的水平加载系统，通过抗拉强度测试套模在待测混凝土试块两侧施加逐级递增的左右水平拉力，直至待测混凝土试块的层间发生受拉破坏；将待测混凝土试块发生受拉破坏时的前一级的水平力的数值记为水平受拉破坏力，用F表示；

(5)用所述的水平受拉破坏力F除以所述待测混凝土试块的层间接触面积S，得到所述混凝土试块的层间抗拉强度，记为

本发明的3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置，在进行抗拉强度测试时，通过弹簧伸缩柱端部的钢盖板将待测混凝土试块紧固，通过水平加载系统施加逐级递增的水平力，直至待测混凝土试块发生受拉破坏，具有结构简单、操作方便、实用性强和检测准确等特点。

附图说明

图1是实施例的3D打印混凝土；

图2是沿图1所示3D打印混凝土虚线切割后的待测混凝土试块；

图3是本发明的3D打印混凝土层间抗拉强度的测试装置结构示意图；

图4是抗拉强度测试套模单侧结构示意图；

图5是抗拉强度测试套膜和待测混凝土试块的连接示意图；

图6是抗拉强度测试套膜和待测混凝土试块的连接俯视图；

图中的标记分别表示：1、底座，2、支柱，3、横梁，4、活动钢梁，5、千斤顶；6、弹簧伸缩柱，7、钢盖板,8、待测混凝土试块，9、螺栓螺母，10、抗拉强度测试套膜，11、水平加载系统；14、连接板，15、第一轨道，16、夹持板，17、锥形夹具，18、第二轨道。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1至图6，本实施例给出一种3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置，包括底座1、一对支柱2和横梁3构成的框架，在支柱2上有一对上下移动的活动钢梁4，在活动钢梁4中央上下对称设置有千斤顶5，千斤顶5 两侧设有可水平移动的弹簧伸缩柱6，在弹簧伸缩柱6的端部连接有钢盖板7，在活动钢梁4之间的支柱2的两侧设置有水平加载系统11，水平加载系统11 通过螺栓螺母9连接有用于固定待测混凝土试块8的抗拉强度测试套膜10。

本实施例给出的3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置，使用时，上方活动钢梁4上的弹簧伸缩柱6端部的钢盖板7在千斤顶5的作用下会产生向下位移，下方活动钢梁4上的弹簧伸缩柱6的钢盖板7在千斤顶5的作用下会产生向上的位移，通过千斤顶5对钢盖板7产生的力，使得钢盖板7发生位移，以此来达到夹持待测混凝土试块8的作用。

如图4所示，本实施例中，抗拉强度测试套膜10由两块夹持板16连接于连接板14两侧组成，在连接板14的内侧沿连接板14的宽度方向设有第一轨道15，使夹持板16通过第一轨道15沿连接板14的宽度方向水平移动；在夹持板16内侧设置有第二轨道18，在夹持板16的宽度方向均匀分布有多个锥形夹具17，且锥形夹具17通过第二轨道18沿夹持板16内侧的宽度方向水平移动。

所述锥形夹具17的长度与夹持板16的长度相同。

图5和图6给出了抗拉强度测试套膜10夹持待待测混凝土试块8的连接示意图。

采用上述3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置用于测试3D打印混凝土层间抗拉强度的方法，具体步骤如下：

(1)采用挤出堆积式工艺打印出混凝土，打印喷嘴采用40mm直径，打印高度为20mm，打印长度为240mm，打印层数为8层，并进行养护(图1)；

(2)对混凝土条带进行切割，以获得160×160×40mm的待测混凝土试块 (图2)；

(3)计算待测混凝土试块层间接触面面积S；

(4)将切割后的待测混凝土试块8放入3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置中，在放入3D打印混凝土层间抗拉强度测试装置前，先在待测混凝土试块8的第3-6层上、下表面涂抹粘结剂，随后通过移动活动钢梁4和弹簧伸缩柱6，用钢盖板7夹住待测混凝土试块8的第3-6层，待测混凝土试块8 的两端的剩余(裸露)部分，则通过两侧的抗拉强度测试套膜10的夹持板 16和锥形夹具17的移动，对待侧混凝土试块8的凹槽进行贴合紧固；以使待测混凝土试块8的左右两侧混凝土条带分别形成整体，在抗拉强度测试套模10两侧连接的水平加载系统11，通过抗拉强度测试套模10在待测混凝土试块8两侧施加逐级递增的左右水平拉力，直至待测混凝土试块8的层间发生受拉破坏；将待测混凝土试块8发生受拉破坏时的前一级的水平力的数值记为水平受拉破坏力，用F表示；

(5)用所述的水平受拉破坏力F除以所述待测混凝土试块8的层间接触面积S，得到所述混凝土试块8的层间抗拉强度，记为

本实施例中，所述待测混凝土试块8层间接触面面积由实验人员在现场测量，并取左右两侧面积的平均值作为层间接触面面积。

采用钢盖板7将待测混凝土试块8紧固，主要用于测试中限定待测混凝土试块8在竖向方面的移动。

所述水平加载系统11选择市售的水平加载反力架加载系统(购于上海施承电气设备有限公司)，且水平加载系统11加载的速率及大小相同。且通过螺栓螺母9分别与抗拉强度测试套膜10相连。。

本实施例中的试验发现，利用3D打印混凝土自身打印会在层间出现凹槽的特点，设计出的抗拉强度测试套膜10，通过调整使用不同的锥形夹具17 外形，能够满足各种3D打印混凝土与抗拉强度测试套膜层间粘结的要求。使抗拉强度测试套模10和待测混凝土试块8之间连接更为密实，以免待测混凝土试块8在抗拉强度测试过程中，发生脱粘而影响抗拉强度测试数据。能极大降低粘结界面处的脱粘风险，对抗拉测试有利。且测试方便迅速，结果准确，适用性强。

在夹持板16与待测混凝土试块8连接的过程中，通过调节夹持板16在连接板14上的纵向间距来满足3D打印混凝土不同打印条带宽度的要求，通过调节锥形夹具17在夹持板16的第二轨道18上的横向间距来满足3D打印混凝土不同打印条带厚度的要求，使得抗拉强度测试套膜10使用范围更广，能运用到各种不同尺寸待测混凝土试块的要求。

在本实施例中，为了确保试验结果与实际测试结果尽可能接近，可以对打印的混凝土进行与现场同条件的养护，例如控制养护的温度、湿度尽可能与现场相同。

所述的水平加载系统11施加的水平力，每级加载值不大于所述水平受拉破坏力的20％，当所述水平加载系统11的加载力到所述水平受拉破坏力的90％后，每级加载值不大于所述水平受拉破坏力的5％；通过以上限制，可以保证待测混凝土试块10受拉破坏时测得的水平受拉破坏力F越精确，抗拉强度f 越准确。

在本实施例中，通过钢盖板7将待测混凝土试块8的第3-6层夹住，且钢盖板7的长宽应与待测混凝土试块8的第3-6层长宽一致，使得待测混凝土试块8的剩余层(如图3、图5-图6中待测混凝土试块8的左起第1-2层，第 7-8层)不与钢盖板7接触。待测混凝土试块8的剩余层由抗拉强度测试套模10紧固。当加载系统11加载力很小的时候，两侧的水平加载系统11处于静止状态，随着加载值的逐级递增，当水平加载力达到待测混凝土试块8受拉承载力时，会使得待测混凝土试块8的中间部分(如图3中待测混凝土试块8的第3-6层)与左右两侧的混凝土层间(如图3、图5-图6中待测混凝土试块8的左起第1-2层，第7-8层)发生受拉破坏。

在本实施例中，受拉破坏的依据是：层间抗拉强度测试时，当水平加载系统11的荷载出现明显下降，待测混凝土试块8中间部分(如图3、图5- 图6中待测混凝土试块8的第3-6层)与左右两侧的混凝土层间(如图3、图5-图6中待测混凝土试块8的左起第1-2层，第7-8层)出现裂缝，可认为待测混凝土试块8层间发生受拉破坏；此时，待测混凝土试块8发生受拉破坏时的前一级所述水平力的数值为水平受拉破坏力。