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文献速读 Constr Build Mater. ：预测3D打印纤维增强水泥基复合材料流变性能的经验模型  题目 题目：Empirical models to predict rheological properties of fiber reinforced cementitious composites for 3D printing 预测3D打印纤维增强水泥基复合材料流变性能的经验模型 关键词 关键词：流变性能；3D打印水泥基复合材料；触变性；统计设计 来源 出版年份：2018 来源：Construction and Building Materials 课题组：新加坡南洋理工大学钱吮智课题组 研究背景 胶凝材料的3D打印是一种从连续的横截面层构建物体的技术。在3D打印过程中，材料先进行预搅拌，然后通过泵送系统进行传送到喷嘴头部，然后，打印系统根据CAD模型控制喷嘴移动来沉积材料。为了确保整个打印过程顺利无误，需要有良好的打印系统和统一的可打印水泥基复合材料。近年来已经开发了几种类型的打印系统，如轮廓制作系统，砂浆打印机和机器人混凝土打印机。除了打印系统，胶凝材料在3D打印过程中也起着至关重要的作用，因为它需要满足可泵送性和可建造性要求，在3D打印过程中，材料的可泵送性与泵送压力直接相关，可建造性决定打印结构的高度。在最近的文章中，研究人员研究了流变性能，特别是静态/动态屈服应力和塑性黏度，这是可打印材料满足要求的关键特性，而材料成分是影响材料流变性能的重要因素。 研究出发点 针对材料成分对流变特性的影响已经进入了深入的研究。然而，仍然存在一些缺陷。首先，先前的研究主要是定性的结论，很少有定量的结果来量化材料成分对流变性能的影响。此外，触变性也是打印过程中一个重要的时变参数，也需要研究材料成分对触变性的影响。为了解决这些问题，实验设计应采取有效的方法来减少实验运行。同时，还应建立定量模型，为流变特性的预测提供指导，材料成分对触变性的影响也需要进一步探讨。 研究内容 3D打印建筑材料需要通过输送系统输送，同时具有一定的流动阻力，以确保材料能够承受后续层的重量，为了满足这些要求，应优化材料的流变性能。本文的研究重点是建立统计模型，通过采用析因设计方法，研究了五个变量(水胶比、砂胶比、粉煤灰水泥比、硅灰水泥比、纤维用量)对材料流变性能(流动阻力、扭矩黏度和触变性)的影响。建立了预测流变特性的经验模型，并进行了实验验证。  图1 正态性检验: (a)流动阻力，(b)扭矩粘度，(c)触变性  图2 预测结果与实际结果: (a)流动阻力，(b)扭矩粘度，(c)触变性  图3 最终打印结构（配方1号）: (a)俯视图，(b)侧视图  图 4 最终打印结构（配方3号）: (a)俯视图，(b)侧视图 主要结论 本研究采用析因设计，在实验结果保留足够的信息来满足数据分析的同时，尽量减少实验运行次数。当实验中需要处理大量的变量的时候，采用这种方法特别有用，例如在寻找具有良好的流变性能的可打印材料的时候。通过析因设计方法得到的置信区间、一阶模型和效果值与传统的变量控制方法相比而言，有几个优点，例如，该方法可以节省时间和资源，因为它使得实验运行的次数最少，该方法还可用于得到进一步预测的统计模型。 本文探讨了材料成分对流动阻力、扭矩粘度和触变性的影响，实验证明随着纤维用量的增加，流动阻力和扭矩粘度均有所提高，S/B（砂胶比）对扭矩粘度和流动阻力有正向影响，对触变性有负向影响。流动阻力、粘度和触变性随W/B（水胶比）的增加而降低。随着FA/OPC的提高，扭矩粘度提高，流动阻力和触变性降低，然而，相对于FA/OPC对流变学性能的影响，SF/ OPC的增加对流变性能的影响是相反的，这对3DP材料是理想的。因此，硅灰是改善3D水泥基复合材料打印过程中流变性能的合适原料。 纤维用量和SF/OPC对流动阻力有明显的影响，其影响程度非常高（高达90%），其次是FA/OPC，其影响程度为82 %，而S/B和W/B对流动阻力的影响程度仅在60%左右。纤维用量对扭矩粘度的影响程度较高（80%)，其次为S/B、FA/OPC和W/B，影响程度在60%左右，SF/OPC的影响程度仅为40%。S / B、W / B和FA/OPC对触变性有较大的影响（80%以上），其次是SF/OPC和纤维用量，影响程度约为65%。 高流动阻力和低粘度是3D打印过程所必需的。研究人员需要流变模型，这样他们就可以根据3D打印过程所需的流变特性来设计他们的材料配比，虽然初步模型还可以进一步改进，但该模型仍可作为控制可打印材料流变性能的初始指导，使得打印过程成功完成。 文献链接： https:///10.1016/j.conbuildmat.2018.09.039 |
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