基于3D打印技术的碳纳米管形加筋混凝土力学性能研究

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本课题针对混凝土加固问题,采用3D打印技术,打印制作碳纳米管形结构,将其作为加筋结构用于加强混凝土试件,通过单轴抗压强度试验,三点弯曲试验,系统性地研究了碳纳米管形加筋结构在受压和受弯状态下对混凝土试件力学性能的影响,并将其与传统形加筋混凝土试件作对比,分析了基于3D打印的混凝土加固技术的工程可行性。  以韧性树脂为材料,采用光固化3D打印技术分别制作3种不同密度的碳纳米管形加筋网和传统纵横形式加筋网,用于加强混凝土材料。混凝土试件为直径100mm,高200mm的圆柱,并以M2.5水泥砂浆为基体。另制作相同尺寸的无加筋素混凝土试件作对比试验。单轴抗压强度试验结果表明,同素混凝土圆柱相比,当试件被单圈10单元,12单元,14单元的碳纳米管形加筋结构加固时,混凝土短柱试件抗压强度分别提高65.85%,93.90%,118.08%;峰值应变分别提高了31.02%,44.17%,76.92%;峰前能量吸收值分别提高了220.81%,380.09%,446.15%。当试件内部有单圈10单元,12单元,14单元的传统纵横向加筋结构时,混凝土短柱试件抗压强度分别提高27.77%,52.88%,69.00%;峰值应变分别提高了56.45%,70.22%,86.60%;峰前能量吸收值分别提高了179.34%,278.13%,446.61%。碳纳米管形加筋结构对试件抗压强度,峰前能量吸收量的提高效果要好于传统的加筋方式,但峰值应变略低于传统加筋方式。峰值应力之后的下降段,碳纳米管形加筋试件比传统形加筋试件应力下降更迅速。随着加筋由疏至密,试件破坏模式发生改变,碳纳米管形加筋试件和传统方式加筋试件以不同的速率由整体破坏向局部破坏转变。  通过三点受弯试验研究3D打印碳纳米管形加筋网加固试件在受弯状态下的力学性能。采用与单轴抗压强度试验相同的方式制作直径90mm,高360mm圆柱形三点受弯试件,内置3种不同密度的碳纳米管形加筋网和传统纵横形式加筋网。通过三点弯曲试验,得到各试件荷载-挠度曲线,试件W-C8,W-P8和W-P10的荷载-挠度曲线有两个峰值,试件W-C10,W-C12和W-P12有三个峰值。相比试件W-C8,试件W-C10的初裂荷载和最大荷载分别提高了10.89%和43.75%;试件W-C12的初裂荷载和最大荷载分别提高了70.30%和64.06%。与试件W-P8相比,试件W-P10的初裂荷载和最大荷载分别提高了42.57%和25.56%;试件P12的初裂荷载和最大荷载分别提高了61.39%和48.12%。通过计算不同类型加筋试件的韧度指数I5、I10、I20,发现同一种类型加筋试件,加筋越密,试件韧度指数越大,弯曲韧性越好。当加筋密度相同时,碳纳米管形加筋试件的弯曲韧性好于传统形加筋试件。  通过工程必要性,材料可行性,技术可行性,经济可行性四方面,讨论了3D打印技术加固混凝土在工程中应用上的可行性。
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