带有良好的锚固绳的混凝土3D打印结构的制作方法

带有良好的锚固绳的混凝土3d打印结构
技术领域
1.本发明涉及一种通过混凝土3d打印制造的混凝土建筑。

背景技术：

2.本文中的“混土3d打印”指的是混凝土或胶凝材料的增材制造，这种技术在过去的几年里迅速发展。根据混凝土3d打印技术，泵通过软管将胶凝砂浆供给至打印喷嘴，打印喷嘴以层叠的方式挤出胶凝砂浆。龙门式机器人引导并移动这一整体，即软管和打印喷嘴。
3.通常而言，胶凝基体结构，尤其是混凝土结构是脆性的，对拉伸应力或弯曲应力的抵抗力很差。给这些结构增添加固件可以提高其延展性。
4.对于利用混凝土3d打印制造的结构而言，脆性也是问题。
5.可以在混凝土尚未固化时，在打印出来的混凝土层中插入传统的加固件，例如钢筋。但是，这种方案具有严重的缺点。该方案是劳动密集型的，容易出错，而且钢筋和混凝土之间的附着力不足。此外，这种方法与混凝土3d打印的最终目的(即尽量减少人工作业)相悖。
6.可以向胶凝砂浆里加入加固纤维。但是经验表明，很难通过软管和打印喷嘴输送胶凝砂浆和混凝土的混合物。
7.另一种解决加固问题的方法是：事先安装加固格构或网，并围绕加固格构或网挤出胶凝砂浆。这里和前面一样，事先安装加固件需要人工作业，而这是人们希望避免的。此外，加固件的存在使挤出过程和打印头的作业变得更复杂。
8.埃因霍温理工大学(the technical university of eindhoven)与贝卡尔特(bekaert)合作提出的优秀的解决方案允许同时铺放混凝土和加固件。向打印头增添了加固件输送装置，加固件输送装置具有卷轴，卷轴带有柔性钢丝绳。该加固件输送装置与龙门式机器人一同移动，从卷轴上放出柔性钢丝绳并将该柔性钢丝绳引入到铺放好的混凝土层内。这样，就实现了同时铺放混凝土和加固件。
9.虽然所使用的钢丝绳具有很多优点，例如重量轻、抗拉强度高、柔性好，但其加固效果不足并且不可预测，不适合用于加固承重结构。

技术实现要素：

10.本发明的总体目的是克服现有技术的缺点。
11.本发明的具体目的是为混凝土3d打印的建筑提供一种更可预见的加固件。
12.本发明的另一个目的是为混凝土3d打印的建筑提供一种更适用的加固件。
13.根据本发明，提供了一种通过混凝土3d打印制造的混凝土建筑。该建筑包括以层叠的方式挤出的两层或更多层胶凝材料。该建筑还包括至少一个细长的钢元件，该细长的钢元件位于所述两层或更多层胶凝材料中并加固所述两层或更多层胶凝材料。细长的钢元件可以是钢线或钢丝绳。钢丝绳可以是由绞合的钢丝构成的单股钢丝绳，或者可以是由绞合的钢绞线构成的多股钢丝绳，其中每根钢绞线具有绞合的钢丝。
14.第一弯曲具有下述第一幅度：
[0015]-在直径为d的单根钢线的情况下，第一幅度的范围是1.05
×
d至5
×
d；
[0016]-在钢丝最大直径为d的单股钢丝绳的情况下，第一幅度的范围是1.05
×
d至5.0
×
d；
[0017]-在钢绞线最大直径为d'的多股钢丝绳的情况下，第一幅度的范围是1.05
×
d'至5.0
×
d'。
[0018]
如果第一幅度小于有关直径(d，d或d')的1.05倍，那么提高混凝土中的锚固性和减少标准偏差的效果不明显。如果第一幅度大于有关直径(d，d或d')的5倍，那么细长的钢元件会难以使用，在钢丝绳的情况下，其结构会变得不稳定。
[0019]
钢线或钢丝绳可以设有与第一弯曲不同的第二弯曲。第二弯曲具有第二幅度，第二幅度与第一幅度处于相同的范围内。
[0020]
术语“胶凝材料”指的是混凝土，砂浆，水泥，或类似材料。
[0021]
术语“弯曲”指的是钢丝或钢绞线的起伏状的塑性变形。这种起伏使钢丝或钢绞线具有侧向凸出部。在混凝土固化后，这些沿着钢丝绳长度的凸出部提高了钢丝绳在混凝土中的锚固性。此外，钢丝绳在混凝土中的锚固性水平与预期水平的偏差较小，所以锚固行为更可预测。因此，可以避免过度设计或过高的安全系数。
[0022]
在由三根或更多根钢绞线构成的多股钢丝绳的情况下，一些钢绞线暴露在钢丝绳的径向外侧，这些钢绞线被称为外层钢绞线。一些外层钢绞线，优选的是全部外层钢绞线都构造有第一弯曲。
[0023]
在具有绞合在一起的不同钢丝的单股钢丝绳的情况下，一些钢丝暴露在钢丝绳的径向外侧，这些钢丝被称为外层钢丝。一些外层钢丝，优选的是全部外层钢丝都构造有第一弯曲。
[0024]
如前所述，在本发明的特别优选的实施例中，可以使钢丝或钢绞线形成第二弯曲。
[0025]
弯曲的典型特征是其幅度和节距。
[0026]
节距一般为细长的钢元件的有关直径(线径d，丝径d或钢绞线直径d')的5倍至50倍。优选的是，在钢丝绳的情况下，弯曲的节距小于钢丝绳的主铺设长度。术语钢丝绳的“主铺设长度”指的是：在单股钢丝绳的情况下，径向外侧的钢丝的铺设长度；在多股钢丝绳的情况下，径向外侧的钢绞线的铺设长度。
[0027]
优选的，第一弯曲的第一幅度不同于第二弯曲的第二幅度。
[0028]
优选的，第一弯曲的第一节距不同于第二弯曲的第二节距。
[0029]
使钢线、钢丝或钢绞线形成弯曲的一种方法是：使细长的钢元件在一对齿轮中间通过。这对齿轮可以位于一个平面内，这个平面可以称为弯曲的平面。
[0030]
第一弯曲可以具有第一平面，第二弯曲可以具有第二平面。优选的，第一弯曲的第一平面不同于第二弯曲的第二平面。
[0031]
细长的钢元件可以设有防腐蚀涂层。这种涂层可以是金属涂层或者聚合物涂层。在使用锌层或锌合金层作为金属涂层的情况下，优选使用苯并咪唑(benzimidazole)处理细长的钢元件。
[0032]
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造上述混凝土建筑的方法。其中，细长的钢元件和胶凝材料一起通过同一个打印头或打印喷嘴同时给料。
附图说明
[0033]
图1示出了如何在混凝土3d打印中添加连续的加固件；
[0034]
图2、图3和图4示出了钢丝绳的横截面；
[0035]
图5示出了如何使钢丝形成双重弯曲；
[0036]
图6示出了第一弯曲的幅度和节距；
[0037]
图7示出了第二弯曲的幅度和节距。
具体实施方式
[0038]
图1示出了如何通过混凝土3d打印制造带有加固件的建筑100。建筑100具有由钢丝绳104加固的第一层102。建筑100还具有由钢丝绳108加固的第二层106，其中钢丝绳108和第一层的钢丝绳104可以是同样的钢丝绳。第二层106正在被挤出到第一层102上。该挤出是通过同时输送混凝土112和钢丝绳108的打印头或打印喷嘴110进行的。打印头110向箭头114所指的方向移动。
[0039]
图2示出了适用于本发明的单股钢丝绳200的横截面。单股钢丝绳200具有5根单独的钢丝202，204。一种钢丝202具有两种弯曲，每种弯曲都处于不同的平面内。这一点通过箭头206，208象征性地示出。另一种钢丝204没有弯曲。
[0040]
图3示出了适用于本发明的另一种单股钢丝绳300的横截面。钢丝绳300具有5根钢丝302。所有的钢丝302都具有两种弯曲，每种弯曲处于不同的平面内。这一点通过箭头304，306象征性地示出。这种钢丝绳的一个实例是5
×
0.35(丝径为0.35毫米)或5
×
0.38(丝径为0.38毫米)。
[0041]
图4示出了多股钢丝绳400的横截面。多股钢丝绳400具有几根钢绞线402，404。每根钢绞线402，404都由绞合在一起的几根钢线406构成。至少一根钢绞线404构造有弯曲，在此通过箭头408示出。
[0042]
通常而言，钢丝的丝径d可以为0.03毫米至0.65毫米，例如0.10毫米至0.40毫米。
[0043]
在单根钢线的情况下，线径d为0.20毫米至2.0毫米，例如0.35毫米至1.50毫米。
[0044]
在多股钢丝绳中的钢绞线的情况下，钢绞线的直径d'可以为0.25毫米至0.75毫米，例如0.30毫米至0.75毫米。
[0045]
图5示意性地示出了如何使钢丝500形成第一弯曲和第二弯曲。
[0046]
钢丝500向下游朝向第一对齿轮502移动。齿轮502的旋转轴与y-轴平行，所形成的第一弯曲是处于xz平面内的平面弯曲。
[0047]
被如此弯曲后的钢丝500继续向第二对齿轮506移动。齿轮506的旋转轴与x轴平行。利用齿轮506形成的第二弯曲也是平面弯曲，其处于yz平面内。
[0048]
显然，钢丝500的最终波浪形状不是平面的，而是空间的。
[0049]
第一对齿轮502和第二对齿轮506都由通过的钢丝500驱动和旋转，无需使用外部装置驱动。
[0050]
重要的是，第二对齿轮506尽可能靠近第一对齿轮502，以防止第一弯曲在第二弯曲的影响下从xz平面向yz平面倾斜或转动。
[0051]
从更一般的观点来看，为了控制在钢丝上形成的两种弯曲，弯矩(即形成两种弯曲所需的力矩)应当保持为尽可能小。这可以通过例如如下方式实现，即：先形成幅度较小的
弯曲，然后再形成幅度较大的弯曲。
[0052]
还是从更一般的观点来看，扭矩(即转动钢丝所需的力矩)应保持为尽可能大，因为在两种弯曲操作的期间或者在两种弯曲操作之间必须防止钢丝发生转动。保持扭矩尽可能大的一种方法是上文提到使用于形成弯曲的两对齿轮之间的距离最小。
[0053]
可以在不同平面或相同平面内设置第三对或更多对齿轮。这样，通过后续弯曲操作所得到的空间结构可以得到进一步的优化或改变。
[0054]
图6示出了处于xz平面内的第一弯曲，图7示出了处于yz平面内的第二弯曲。
[0055]
第一弯曲具有第一弯曲幅度a1，该幅度是从顶部到顶部来测量的，其中包括了丝径d。第一弯曲具有第一弯曲节距pc1，其等于第一弯曲的两个最低点之间的距离。
[0056]
第二弯曲具有第二弯曲幅度a2，该幅度是从顶部到顶部来测量的，其中包括了丝径d。第二弯曲具有第二弯曲节距pc2，其等于第二弯曲的两个最低点之间的距离。
[0057]
在图6中，第二弯曲达到其最高点的部位506用与钢丝500的轴线平行的阴影线标出，第二弯曲达到其最低点的部位508用竖直的阴影线标出。
[0058]
图7中，第一弯曲达到其最高点的部位510用与钢丝500的轴线平行的阴影线标出，第一弯曲达到其最低点的部位512用竖直的阴影线标出。
[0059]
第一弯曲幅度a1和第二弯曲幅度a2可以彼此独立地变化。因此a1可以与a2相等，也可以与a2不等。第一弯曲幅度a1和第二弯曲幅度a2可以在最低值和最高值之间变化，其中最低值略高于丝径(例如，1.05
×
d，这意味着几乎没有弯曲)，最高值约为丝径的4倍至5倍(4～5
×
d)。该最高值是出于建筑稳定性的考虑而决定的。
[0060]
第一弯曲节距pc1和第二弯曲节距pc2都可以彼此独立地变化。因此pc1可以与pc2相等，也可以与pc2不等。pc1与pc2的差别越大，就越容易防止第一弯曲倾斜。第一弯曲节距pc1和第二弯曲节距pc2可以在最低值和最高值之间变化，其中最低值约为丝径d的5倍(5
×
d)，最高值约为丝径d的50倍(50
×
d)。但优选的是，在绞合结构中，至少一种弯曲的节距，最好是两种弯曲的节距都小于绞合结构中的钢丝的绞合节距。
[0061]
考虑到上述可自由选择的参数，即彼此独立的参数，可以获得大量不同的波浪形状。
[0062]
第一实例是：选择a1等于a2，pc1等于pc2，使第二弯曲相对于第一弯曲偏移四分之一节距，可以在不需要从动旋转预成型销的情况下得到或近似得到空间螺旋线的形状。
[0063]
第二实例是：选择a1远大于a2，可以得到卵形或椭圆形的横向截面。
[0064]
钢成分
[0065]
钢丝可具有如下钢成分：
[0066]
普通碳钢成分如下(所有百分比均为重量百分比)：
[0067]
碳含量(％c)为0.60％至1.20％，例如0.80％至1.1％；
[0068]
锰含量(％mn)为0.10％至1.0％，例如0.20％至0.80％；
[0069]
硅含量(％si)为0.10％至1.50％，例如0.15％至0.70％；
[0070]
硫含量(％s)低于0.03％，例如低于0.01％；
[0071]
磷含量(％p)低于0.03％，例如低于0.01％。
[0072]
作为另外一种选择，可以向成分中添加以下元素：
[0073]
铬(％cr)：含量为0.10％至1.0％，例如0.10至0.50％；
[0074]
镍(％ni)：含量为0.05％至2.0％，例如0.10％至0.60％；
[0075]
钴(％co)：含量为0.05％至3.0％；例如0.10％至0.60％；
[0076]
钒(％v)：含量为0.05％至1.0％，例如0.05％至0.30％；
[0077]
钼(％mo)：含量为0.05％至0.60％，例如0.10％至0.30％；
[0078]
铜(％cu)：含量为0.10％至0.40％，例如0.15％至0.30％；
[0079]
硼(％b)：含量为0.001％至0.010％，例如0.002％至0.006％；
[0080]
铌(％nb)：含量为0.001％至0.50％，例如0.02％至0.05％；
[0081]
钛(％ti)：含量为0.001％至0.50％，例如0.001％至0.010％；
[0082]
锑(％sb)：含量为0.0005％至0.08％，例如0.0005％至0.05％；
[0083]
钙(％ca)：含量为0.001％至0.05％，例如0.0001％至0.01％；
[0084]
钨(％w)：例如含量为约0.20％；
[0085]
锆(％zr):例如含量为0.01％至0.10％；
[0086]
铝(％al):含量优选低于0.035％，例如低于0.015％，例如低于0.005％；
[0087]
氮(％n):含量低于0.005％；
[0088]
稀土金属(％rem)：含量为0.010％至0.050％.
[0089]
金属涂层
[0090]
最好为钢丝绳的钢丝设置金属涂层以提高其耐腐蚀性。
[0091]
金属涂层优选为锌涂层或锌合金涂层。
[0092]
锌合金涂层可以是锌铝合金涂层，其铝含量按重量计为2％至12％，例如3％至11％。
[0093]
优选的成分在共析位置附近：铝含量约为5％。锌合金涂层还可以具有例如镧和铈等润湿剂，其含量小于锌合金的0.1％。涂层的其余部分是锌和无法避免的杂质。
[0094]
另一种优选的成分包括约10％的铝。与铝含量约5％的共析成分相比，铝含量的增加提供了更好的耐腐蚀性。
[0095]
可以向锌铝合金中添加其他元素，例如硅(si)和镁(mg)。为了获得最佳的耐腐蚀性，一种特别优良的合金包括2％至10％的铝和0.2％至3.0％的镁，其余部分为锌。
[0096]
一个实例是：5％的铝，0.5％的镁，其余部分为锌。
[0097]
锌涂层或锌合金涂层优选通过热浸操作施加到钢线上。金属涂层的平均厚度优选限制在4微米，例如限制在3微米。
[0098]
为了防止由涂锌金属元件加固的混凝土在硬化期间析出氢气，可以用苯并咪唑处理钢丝绳，例如在钢丝绳上喷涂苯并咪唑或将钢丝绳浸渍在苯并咪唑中。
[0099]
金属涂层还可以是铜合金，例如黄铜。与锌合金涂层相比，黄铜涂层有利于通过拉丝减少直径。在例如混凝土等碱性环境中，黄铜可能足以提供所需的耐腐蚀性。
[0100]
表格：拔出试验的标准偏差
[0101]
钢丝绳结构6个样品的标准偏差5
×
0.35带有弯曲的钢丝-本发明6％3+5
×7×
0.12-对照物51％3
×3×
0.15-对照物32％19+9
×7×
1.2-对照物47％3×3×
0.2-对照物21％3+2
×
0.225-对照物26％7+4
×
0.12-对照物66％3
×
0.3-对照物94％
[0102]
附图标记列表：
[0103]
100
ꢀꢀꢀꢀ
通过3d混凝土打印制造的建筑
[0104]
102
ꢀꢀꢀꢀ
第一层
[0105]
104
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝绳
[0106]
106
ꢀꢀꢀꢀ
第二层
[0107]
108
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝绳
[0108]
110
ꢀꢀꢀꢀ
打印头或打印喷嘴
[0109]
112
ꢀꢀꢀꢀ
混凝土
[0110]
114
ꢀꢀꢀꢀ
移动方向
[0111]
200
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝绳
[0112]
202
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0113]
204
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0114]
206
ꢀꢀꢀꢀ
第一弯曲
[0115]
208
ꢀꢀꢀꢀ
第二弯曲
[0116]
300
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝绳
[0117]
302
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0118]
304
ꢀꢀꢀꢀ
第一弯曲
[0119]
306
ꢀꢀꢀꢀ
第二弯曲
[0120]
400
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝绳
[0121]
402
ꢀꢀꢀꢀ
钢绞线
[0122]
404
ꢀꢀꢀꢀ
钢绞线
[0123]
406
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0124]
408
ꢀꢀꢀꢀ
第一弯曲
[0125]
500
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0126]
502
ꢀꢀꢀꢀ
第一对齿轮
[0127]
504
ꢀꢀꢀꢀ
第二对齿轮
[0128]
506
ꢀꢀꢀꢀ
第二弯曲的最高点的位置
[0129]
508
ꢀꢀꢀꢀ
第二弯曲的最低点的位置
[0130]
510
ꢀꢀꢀꢀ
第一弯曲的最高点的位置
[0131]
512
ꢀꢀꢀꢀ
第一弯曲的最低点的位置

技术特征：

1.一种通过混凝土3d打印制造的混凝土建筑，所述建筑包括：-以层叠的方式挤出的两层或更多层胶凝材料，-至少一根细长的钢元件，所述细长的钢元件沿着所述两层或更多层胶凝材料的长度放置在所述两层或更多层胶凝材料中，并且加固所述两层或更多层胶凝材料，所述细长的钢元件：-或者是单根钢线，其具有线径d，所述线径d为0.20毫米至2.0毫米，所述单根钢线构造有第一弯曲，所述第一弯曲具有第一幅度，所述第一幅度的范围是1.05
×
d至5.00
×
d，-或者是由多根钢丝构成的钢丝绳，所述钢丝具有最大丝径d，所述最大丝径d为0.03毫米至0.65毫米，所述钢丝中的至少一根钢丝构造有第一弯曲，所述第一弯曲具有第一幅度，所述第一幅度的范围是1.05
×
d至5.00
×
d。2.根据权利要求1所述的建筑，其中，所述钢线或所述钢丝绳的钢丝中的至少一根钢丝构造有不同于所述第一弯曲的第二弯曲，所述第二弯曲：-或者具有第二幅度，在用单根钢线作为加固件的情况下，所述第二幅度的范围是1.05
×
d至5.00
×
d，-或者具有第二幅度，在用钢丝绳作为加固件的情况下，所述第二幅度的范围是1.05
×
d至5.00
×
d。3.根据权利要求2所述的建筑，其中，所述第一幅度不同于所述第二幅度。4.根据权利要求2或3所述的建筑，其中，所述第一弯曲具有第一节距，所述第二弯曲具有第二节距，所述第一节距不同于所述第二节距。5.根据权利要求2至4中任一项所述的建筑，其中，所述第一弯曲位于第一平面内，所述第二弯曲位于第二平面内，所述第一平面不同于所述第二平面。6.根据前述权利要求中任一项所述的建筑，其中，所述细长的钢元件是钢丝绳，所述钢丝绳的所有钢丝都构造有第一弯曲。7.根据权利要求6所述的建筑，其中，所述细长的钢元件是钢丝绳，所述钢丝绳的所有钢丝都构造有第二弯曲。8.根据前述权利要求中任一项所述的建筑，其中，所述细长的钢元件设有锌涂层或锌合金涂层，并且所述细长的钢元件经过苯并咪唑处理。9.一种通过混凝土3d打印制造的混凝土建筑，所述建筑包括：-以层叠的方式挤出的两层或更多层胶凝材料，-至少一根细长的钢元件，所述细长的钢元件沿着所述两层或更多层胶凝材料的长度放置在所述两层或更多层胶凝材料中，并且加固所述两层或更多层胶凝材料，所述细长的钢元件是由钢绞线构成的钢丝绳，所述钢绞线由钢丝构成，所述钢绞线具
有最大丝径d'，所述最大丝径d'为0.25毫米至0.75毫米，所述钢丝中的至少一根钢丝构造有第一弯曲，所述第一弯曲具有第一幅度，所述第一幅度的范围是1.05
×
d'至5.00
×
d'。10.一种通过3d打印制造根据前述权利要求中任一项所述的混凝土建筑的方法，其中，所述细长的钢元件与所述胶凝材料一起通过同一打印头或打印喷嘴同时供给。

技术总结

一种通过混凝土3D打印制造的混凝土建筑(100)，其包括：以层叠的方式挤出的两层或更多层(102、106)胶凝材料，和加固所述两层或更多层胶凝材料中至少一层胶凝材料的至少一个细长的钢元件(104、108)。所述细长的钢元件(104、108)构造有第一弯曲。由于该弯曲，在胶凝材料中获得了良好的锚固性，并且锚固力是可预测的，因为锚固力的标准偏差非常小。细长的钢元件可以是具有直径D的单根钢线，所述弯曲的幅度的范围是1.05