立井井壁3D打印混凝土配方优化及其硬化性能研究

摘要

随着科技的进步和发展，3D打印技术在房屋建筑领域国内外展开了诸多研究，但少有学者在立井井壁方面展开研究，同时人工浇筑井壁逐渐不能满足智能化需求以及浇筑井壁易在接茬缝处漏水，整体性能不好，3D打印混凝土技术将是未来实现自动化、智能化以及快速砌筑复杂井壁的重要途径。鉴于普通混凝土不满足打印要求以及为立井井壁提供3D打印支护材料，本文展开单因素分析试验、正交组合试验以及优化设计试验，确定了不同环境温度3D打印混凝土的合理配合比，并研究了两种打印工艺试样的物理力学特性。 首先，以流动度、坍落度、凝结时间为主要评价指标，抗压强度为次要评价指标，单因素分析了细度模数、砂胶比、减水剂掺量、R.SAC掺量等对打印混凝土的影响，确定了各个影响因素的大致最优比例或掺量范围；进一步展开了多因素正交试验，并确定了3D打印混凝土的基本配合比。考虑到甲酸钙不利于调凝作用和浇筑井壁入模温度的影响，采用了无水硫酸钙代替甲酸钙，调整配合比并初步确定了环境温度在(20±2)℃、(24±2)℃的3D打印混凝土配合比，通过挤出性、建造性和力学性能进行评价，最终确定了不同环境温度梯度的3D打印混凝土合理配合比。不同混凝土配合比的1d抗压强度均能达到28MPa，50℃水浴养护3d抗压强度能达到54MPa以上。 其次，对比研究两种打印工艺切割取出的试样与浇筑混凝土试样的物理力学性能，试验发现，两种打印工艺取样的早期抗压、抗折强度、劈裂抗拉强度、均有轻微降低，后期均有提高，并没有因层层堆积表现出明显的各向异性和工艺造成的力学性能差别；通过密度和微观结构分析验证了硬化打印混凝土强度增长主要受微观孔隙结构的影响，打印混凝土受到旋转挤实作用改善了孔隙结构，降低了孔隙率，提高了密实度。 最后，以研制的3D打印混凝土配合比打印了立井井壁并研究了其抗渗性能，井壁端部未完全约束能够承受水平荷载6.8MPa，完全约束至少能够承受11.4MPa；随着水平荷载增加，井壁同层位或不同层位环向应变的差异性逐渐在增加。 综上试验研究成果，兼顾了流动性、建造性和凝结时间的影响，提出了不同环境温度的3D打印混凝土配合比，发现良好的打印工艺对打印结构并不会产生层与层之间的薄弱面，初步确定了3D打印立井井壁的抗渗封水性能。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1问题的提出

1.2.1 3D打印成型技术

1.2.2建筑领域研究现状

1.2.3 3D打印材料研究现状

1.2.4理论与数值模拟研究现状

1.3.1研究内容

1.3.2研究目的和意义

1.3.3研究方法和技术路线

2立井井壁3D打印混凝土配合比优化研究

2.1概述

2.2.1水泥

2.2.2骨料

2.2.3掺合料

2.2.4减水剂

2.2.5早强剂

2.2.6缓凝剂

2.2.7触变剂

2.2.8聚丙烯纤维

2.2.9水

2.3.1流动性测试方法

2.3.2坍落度测试方法

2.3.3凝结时间测试方法

2.3.4抗压和抗折强度测试方法

2.3.5制备工艺

2.4.1细度模数试验

2.4.2砂胶比试验

2.4.3减水剂试验

2.4.4 R.SAC试验

2.4.5缓凝剂试验

2.4.6触变剂试验

2.4.7早强剂试验

2.5.1正交试验设计

2.5.2正交试验结果分析

2.5.3优化试验设计

2.6 3D打印混凝土配合比评价

2.6.1 3D打印系统

2.6.2挤出性评价

2.6.3建造性评价

2.6.4力学性能评价

2.7本章小结

3 3D打印混凝土的物理力学性能研究

3.1概述

3.2硬化混凝土物理力学性能研究

3.2.1抗压强度

3.2.2抗折强度

3.2.3劈裂抗拉强度

3.2.4密度

3.2.5微观孔结构分析

3.3本章小结

4立井井壁封水性能模型试验研究

4.1概述

4.2.1相似准则的推导

4.2.2模型设计

4.3.1模型试验台

4.3.2加载系统

4.3.3数据测试系统

4.4.1模型井壁制备

4.4.2布置和安装

4.4.3加载方案

4.5.1第一次试验结果分析

4.5.2第二次试验结果分析

4.5.3第三次试验结果分析

4.6本章小结

5结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

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