混凝土3D打印
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-13
混凝土3D打印的視頻教程
(3D)基于abaqus中cohesive行為的鋼筋混凝土粘接性能仿真
鋼筋混凝土結構由于其良好的工作性能和多式多樣的結構形式在工程中得到了廣泛的應用。鋼筋混凝土結構的數值仿真與設計與其界面力學性能緊密相關，因此，基于數值仿真的鋼筋混凝土界面力學性能研究對結構的安全性具有重要意義。考慮混凝土界面受力的復雜性，采用雙線性內聚力行為（cohesive behavior）,建立鋼筋拉拔試驗模型。附帶：cae文件+inp文件+參考文獻
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混凝土3D打印的實例教程
如果將可以節約制造成本、縮短生產時間的3D打印引入葉片生產，效果會如何？
2022年4月23日，南極熊獲悉，基于在航空發動機及燃機零部件3D打印上的豐富經驗，通用電氣旗下的再生能源公司開啟了一個新的項目，使用大型的混凝土3D機來建造風力渦輪發電機的基座，由此來減少運輸成本和人力成本。根據測算，通過將一個高度為80米的5MW風機提高至160米的高度，風電場運營商可以增加至少30%的發電量。
風能被認為是一種清潔無公害的可再生能源，隨著全球變暖等環境問題越來越嚴重，風力發電成為了一些國家的重點發展項目。為了能夠充分應用風能，風力渦輪發電機都建的比較大。建造時，需要先打地基，就是挖出一個足夠深的坑，再在其中搭建鋼筋結構，最后澆筑混凝土，整個過程需要大量的工人協同完成。
再生能源公司希望通過混凝土3D打印的方式來建造地基。目前，他們將以現有的混凝土3D打印技術為基礎，進行優化，目標是5年內實現商用。
再生能源公司表示，通過3D打印，可以改變目前的渦輪風力發電機的結構，實現創新。目前，渦輪風力發電機的基座都和地面齊平，在上面搭建大型的金屬圓柱體。再生能源公司的設想是不僅打印基座，還會打印一部分的塔身（原來金屬圓柱的部分）。這樣就能減少大型圓柱體的運輸，節約運輸成本，并降低風力渦輪發電機的搭建難度。
讓風機變得更高后，更輕則是下一個追求。最近，GE與美國能源部建立合作，研究使用3D打印制造風機葉片。這個為期25個月、耗資670萬美元的項目將重點研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術制造一套風機葉片的葉尖部分。完成后，GE團隊及其合作伙伴——橡樹嶺國家實驗室和美國國家可再生能源實驗室將對產品的結構特性進行測試，并將三套葉尖安裝到風機上。
展開 由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到較高的強度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。
2) 骨料
骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合 3D 打印混凝土使用的，同時 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內釋放的水化熱也高，將會導致混凝土各項性能的惡化。
因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。
3) 礦物摻合料
礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅提高打印構件的強度及結構的致密度，提高材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于提高混凝土的濕壓強度（green strength，或者稱“塑性強度”）。
展開 鑒于HS2的失誤，HS2公司決定采用3D打印技術，現在可以被視為試圖讓項目回到正軌，特別是考慮到該技術的速度和自動化潛力。
△ChangeMaker3D公司的混凝土3D打印技術正在運行中。照片來自HS2
Printfrastructure 3D打印
SCS JV是Skanska、Costain和STRABAG的合資公司，負責建設HS2的倫敦隧道，現在已經轉向ChangeMaker 3D及其技術來優化這一過程。被稱為 "Printfrastructure"的新型建造技術是HS2公司的專有工藝，它涉及使用計算機控制的機器人安裝的3D打印機，以精確地創建復雜的混凝土結構的規格。
人們普遍認為，一旦在HS2的倫敦終點站現場完成部署，這些機器人將能夠進入其他工藝受物理限制而不能作業的區域，減少了對復雜和昂貴的物流計劃的需求。ChangeMaker 3D程序的自動化性質也使其有可能減少任何建筑引起的旅行中斷，因為通常必須暫停服務以保證工人安全。
此外，作為一個額外的好處，承包商預計該技術將能夠創建內部網狀結構，這不僅起到加固作用，而且使用更少的材料。考慮到這一點，承包商們還與Versarien合作，將石墨烯整合到3D打印混凝土中，可能使他們能夠減少整個項目的碳排放。
最終，SCS JV認為，部署ChangeMaker3D的技術可以使隧道的混凝土和碳排放量減少高達50%。更重要的是，該公司認為由于從建造流程中移除了鋼材并減少對耗油卡車的依賴，采用3D打印技術可以幫助其整個運營更加生態友好。
HS2的創新經理Rob Cairns說："SCS JV和ChangeMaker 3D正在合作的項目是HS2實現的那種意義深遠的創新的一個絕妙證明。"
展開 由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到較高的強度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。
2) 骨料
骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合 3D 打印混凝土使用的，同時 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內釋放的水化熱也高，將會導致混凝土各項性能的惡化。
因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。
3) 礦物摻合料
礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅提高打印構件的強度及結構的致密度，提高材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于提高混凝土的濕壓強度（green strength，或者稱“塑性強度”）。
展開 然而，盡管這個項目很成功，但它在很大程度上是一個概念驗證的舉措，是西麥斯材料的3D打印測試案例，因此為了幫助擴大技術的應用，它現在已經與經驗豐富的COBOD展開合作。
"COBOD早在2017年就開始了3D建筑打印，而我們也有自己制作的混凝土配方，"COBOD創始人Henrik Lund-Nielsen解釋說。"我們不得不使用很多的配方水泥來使材料發揮作用，其結果并不像我們所期望的那樣高效。然而，我們繼續尋找普通混凝土的解決方案，這對我們技術的大規模應用至關重要。我們非常高興Cemex公司接受了這一挑戰，并為我們合作開發新的解決方案感到自豪。"
△一名團隊成員慶祝Be More 3D公司的3D打印平房完工。照片來自Be More 3D。
可以3D打印的混凝土
目前，許多建筑3D打印公司使用專有的混凝土混合物，在逐層工作流程中建造結構，這對那些在3D打印行業工作的人來說無疑是熟悉的。例如，早期的市場領導者ICON公司已經開發了一種 "Lavacrete"材料，用于其大型Vulcan機器，而Mighty Buildings公司則提出了自己的石質建筑礦物。
由于使用普通混凝土時出現的流動性問題，這些公司實際上被迫開始嘗試自己配制建筑材料，但這種自行開發的混凝土也能夠幫助他們摒棄傳統施工過程中使用的廢棄模具和框架，從而提高他們技術的成本節約潛力。
然而，COBOD和CEMEX表示新材料開發成功后，他們現在已經克服了阻礙普通混凝土3D打印的路障。具體來說，西麥斯已經想出了一種使其更具流動性和延展性的方法：通過在預拌混凝土中加入專有的D.fab系列添加劑，使混凝土能夠被定制，并在3D打印期間促進沉積。
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混凝土的宏觀力學性能主要受其細觀結構控制，其中骨料與水泥基體間的界面過渡區（ITZ）作為薄弱相，顯著影響材料的力學行為與耐久性。本文基于COMSOL Multiphysics有限元軟件，構建含ITZ的多面體骨料密堆積三維細觀模型，有效表征混凝土的非均質特性，準確反映骨料形態、分布及界面行為對整體性能的影響機制，為揭示混凝土損傷演化規律、優化配合比設計及提升結構耐久性提供理論支撐。
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。基于ANSYS軟件構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，可有效表征混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
混凝土細觀結構對其宏觀力學性能具有決定性影響。界面過渡區（ITZ）作為骨料與水泥基體間的薄弱相，顯著影響混凝土的力學行為與耐久性。在ABAQUS中構建含界面過渡區的多面體骨料密堆積3D模型，能夠真實反映混凝土細觀非均質特性，精確模擬骨料形態、分布及界面行為對材料性能的影響機制。該研究為揭示混凝土損傷演化規律提供理論支撐，對優化配合比設計、提升結構耐久性具有重要學術價值與工程應用前景。
附件為基于ABAQUS的【2D】及【3D】巖石混凝土的SHPB壓縮仿真模型，混凝土使用CDP（ Concrete Damaged Plasticity）混凝土損傷塑性模型本構。
附件：SHPB2D-3D.cae，Job-2D-CDP.inp，Job-3D-CDP.inp，Result.opju
Concrete printing
混凝土打印屬于房屋3D打印計劃之一，工藝為wet-on-wet printing。
對研究人員來說，如何定義混凝土的流動模式是最重要的。此處將混凝土視為 Visco-plastic material (viz. Bingham material model)。
在ANSYS Workbench建立三維纖維混凝土模型可采用CAD隨機幾何3D插件建模后導入，模型包含球體粗骨料、圓柱體長纖維、水泥砂漿基體等不同組分。
在CAD隨機幾何3D插件內設置模型參數后運行，即可在AutoCAD內建立三維纖維混凝土模型，插件支持任意多組纖維或骨料的尺寸設置，可滿足不同級配的纖維混凝土模型。
插件介紹
Random Sphere RVE 3D (Mesh) - AbyssFish 插件可在Abaqus生成三維具備周期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions, PBC)的隨機球體骨料及骨料-水泥界面過渡區(Interfacial Transition Zone, ITZ)模型。即采用周期性代表性體積單元法(Periodic Representative
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<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202401/attachment/4a5405fd554942d2909e3c60e9f1f5b7.png" style="text-align: center">
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計算結果如圖：
第一步：建立單軸壓縮模型
new
title 'Testing Bonded Particle Model'
def canshu
width = 0.05
height = 0.1
rmax= 1.66e-3
rmin= 1e-3
poro= 0.3
end
模型實例
以下是Abaqus內纖維混凝土的模型，纖維是采用三維圓柱體模擬的，混凝土內的骨料采用的是實體的球體。纖維及骨料均可設置不同的尺寸，并且各類型的數目不受限制，即可設置多種纖維及球體骨料大小。
研究進展
在Abaqus內建立混凝土細觀模型，如鋼纖維混凝土、不干涉球體骨料、多面體骨料模型等，是進行混凝土性能研究的主流方法之一。而在進行Abaqus混凝土細觀模擬時，隨機骨料及隨機纖維等幾何模型的構件是主要的難點所在
