レオロジー損傷モデルが3Dプリントコンクリートの施工性を予測

出典: 確率的損傷力学理論と応用

建築の工業化、インテリジェント化、グリーンビルディングの開発コンセプトに応えて、3Dプリントコンクリート技術は世界中で急速に成長している研究のホットスポットになり始めており、エンジニアリングコミュニティや学術コミュニティから徐々に幅広い注目を集めています。 3D プリントコンクリートは、押し出し成形に基づく付加製造技術です。印刷要件を満たすセメント質材料がノズルから押し出され、層が積み重ねられて層ごとに建物本体が形成されます。プロセス全体は型枠に依存せず、振動も必要ありません。従来のコンクリート建設技術と比較して、3D プリントコンクリートには、建設速度が速く、建設コストが低く、建設プロセスが環境に優しいという利点があります。 CAD と組み合わせることで、複雑な幾何学的形状を持つエンジニアリング部品を印刷できます。

印刷工程ではテンプレートがないため、生コンクリートがノズルから押し出された後、生コンクリートは自身の重量と上部の印刷層の重力の作用下で安定した状態を維持するために自身の支持力に頼る必要があります。これは印刷コンクリートの施工性とも呼ばれます。施工性能の品質は印刷精度に影響するだけでなく、印刷の失敗につながる可能性もあります。関連研究によると、弾性座屈と崩壊は、不十分な建設性能によって引き起こされる 2 つの主な破損モードです。施工性能は、3D プリントされたコンクリート試験片の作業性能の重要な指標であり、コンクリート 3D プリントの設計プロセスにおける重要な考慮事項であることがわかります。これまでの研究のほとんどは、コンクリートの組成や印刷技術などの側面からコンクリートの施工性能を分析するために実験的手法を使用してきましたが、印刷挙動に固有の物理的および機械的法則を考慮することはほとんどありませんでした。実際、コンクリート印刷の機械法則を研究することは、印刷プロセスを別の研究の観点から理解し、印刷動作の重要な特性を把握するのに役立ちます。このような背景に基づいて、本論文では、印刷プロセス中の機械的挙動の分析から始め、印刷プロセス中のコンクリートの主な機械的特性を適切に反映する 3D プリントコンクリートのレオロジー損傷モデルを開発し、印刷されたコンクリート試験片の施工性を効果的に予測します。

研究の革新<br /> この研究には、主に次の 2 つの革新が含まれています。まず、3D プリントコンクリートのレオロジー損傷モデルを確立し、超初期段階のプリントコンクリートの損傷の進行、瞬間塑性変形、クリープ遅延効果、および材料特性の時間変化特性を合理的に特徴付けました。次に、レオロジー損傷モデルと対応する明示的ソリューションアルゴリズムを組み合わせて、3D コンクリート印刷挙動の有限要素解析プラットフォームを構築し、3D 印刷プロセスの洗練されたシミュレーションと合理的な予測を実現しました。

レオロジー損傷モデルの考え方<br /> 連続体損傷力学の枠組みに基づいて、3D プリントコンクリートの構成関係は次のように表現できます。

このうち、損傷内部変数と塑性ひずみ変数は、それぞれ印刷プロセス中のコンクリートの非線形発展と瞬間的な不可逆変形を表します。これら 2 種類の内部変数の進化は、著者の研究グループが開発した二重スカラー弾塑性損傷理論によって直接記述できます。クリープひずみ変数は、古典的なバーガースモデルの助けを借りて記述できます。

3D コンクリートモデルを通常のコンクリートと区別する最も重要な特徴は、印刷された材料のレオロジー特性です。印刷プロセス中、コンクリートは流体状態から固体状態へと変化し、その機械的特性は印刷時間とともに増加し続け、典型的なレオロジー特性を示します。関連研究によると、堆積後、コンクリート内のセメント粒子が凝集し、セメント粒子間の仮想接触点で CSH ブリッジが形成されることが示されています。凝集プロセスと CSH 核形成現象の両方により、材料の内部構造が強化されます (図 1)。材料のこの構造挙動（チキソトロピー挙動とも呼ばれる）は、強いせん断力を加えたり、再撹拌したりすることで解消でき、回復可能な変形です。さらに、コンクリート内部の未水和セメント粒子は徐々に水と反応して固体水和生成物を形成し、経年変化の影響を引き起こします。一般的に言えば、プリントコンクリートの超初期段階では、凝集効果と核形成現象が支配的な役割を果たし、水和反応の影響は比較的小さいです。

図1 印刷コンクリートのレオロジー特性（Roussel 2018）
上記のレオロジー特性を考慮するために、本論文では、3D コンクリート印刷中の機械的特性の時間変動効果を反映する次のチキソトロピーモデルを提案します。材料パラメータの発展方程式は構造パラメータ Astr の関数として定義され、印刷コンクリートのチキソトロピー挙動に対する温度の影響を特徴付けるためにアレニウスの法則が導入されています。

構造パラメータは、凝集効果と核形成現象による材料の内部構造の程度を記述し、その発展方程式は以下を満たす。

式の最初の 2 つの項は主にセメント粒子の凝集と核形成が材料特性に与える影響を反映しており、最後の項はコロイド内部での脱凝集/分散効果の可能性を表しています。

数値実装<br /> 印刷コンクリートの構造化の程度は機械的特性に影響しますが、機械的状態はチキソトロピープロセスに直接影響を与えないことを考慮すると、前述のレオロジー損傷モデルの数値解析プロセスは、レオロジープロセスの解析と弾塑性クリープ挙動の解析という 2 つの連続したサブステップにさらに分解できます。具体的な計算プロセスは図2に示されており、まず、差分分類法を使用してチキソトロピープロセスを解き、現在の印刷時間の機械的パラメータを決定します。次に、演算子分離法の考え方を使用して、弾塑性クリープ挙動を解きます。

図2 レオロジー損傷モデルの数値解析フローチャート
典型的な数値例<br /> レオロジー損傷モデルは、印刷されたコンクリートの時間変化する挙動を記述するために使用されます。有限要素ソフトウェア ABAQUS は、数値モデリングと計算解析に使用され、3D コンクリート印刷プロセスを効果的にシミュレートできます。まず、3Dプリントセメントモルタルの早期クリープ試験をシミュレーションし、研究しました。このモデルは、単軸圧縮荷重と多層積層下でのプリント材料の変形をより適切に捉えることができます。

図3 プリントコンクリートの測定されたひずみ曲線とシミュレーション結果の比較左：一軸クリープ試験右：スタッキングプロセス試験次に、一軸圧縮試験によって較正されたモデルパラメータを使用して、3Dプリントされた直線壁試験をシミュレートしました。印刷された直線壁は、過度の横方向変位により座屈破壊を起こしましたが、最終的な破壊モードと破壊層の数は実験結果に近かったため、モデルは 3D 印刷された直線壁の印刷プロセスを再現できることがわかりました。

図4 垂直壁印刷試験の応力-ひずみ曲線の比較図5 垂直壁印刷試験のシミュレーションクラウドマップ左：19層印刷時の損傷分布中：19層印刷時の横方向変位/mm 右：破損時の横方向変位/mm
図 6 垂直壁印刷テストの損傷図 7 垂直壁印刷テストのシミュレーション結果左: 高さに沿ったミーゼス応力の変化右: 高さに沿った横方向の変位の変化最後に、一軸圧縮テストで調整されたモデルパラメータを使用して、シリンダー印刷テストをシミュレートします。印刷シリンダーの底部が過度に損傷したため、シリンダー全体が崩壊しました。シミュレーション結果は実験結果に近いです。さらに、シミュレーションで印刷材料のクリープ効果を無視すると、印刷された試験片の半径方向の変形が大幅に過小評価され、コンクリートのクリープ変形が円筒状試験片の印刷挙動に大きな影響を与えることがわかります。

図8 シリンダー印刷試験の応力-ひずみ曲線の比較図9 シリンダー印刷試験のシミュレーションクラウドマップ左：30層印刷時の損傷分布右：30層印刷時の半径方向変位/mm
図 10. シリンダー印刷テストの高さに沿った半径方向の変位のシミュレーション。左: シミュレーション結果とテスト結果の比較。右: クリープ効果を考慮した場合と考慮しなかった場合の比較。
結論

コンクリート印刷プロセスの機械的挙動を記述するために、3D プリントされたコンクリートのレオロジー損傷モデルが確立されました。

印刷プロセス中のコンクリートのレオロジー挙動を考慮するために、材料の内部構造化度の向上に伴って巨視的な機械的パラメータが連続的に変化することを反映するチキソトロピーモデルが導入されました。

上記モデルの数値解析アルゴリズムが開発され、一般的な有限要素ソフトウェアプラットフォームと組み合わせることで、3Dコンクリート印刷プロセスの効果的なシミュレーションが実現されました。

クリープ試験、垂直壁印刷試験、シリンダー印刷試験のシミュレーション結果は、提案されたモデルが印刷されたコンクリート試験片の施工性を正確に予測できることを示しています。

近年、インテリジェント建設の活発な発展に伴い、土木分野は変革とアップグレードの機会を迎えています。インテリジェント建設の専門システムの構築には、最先端の交差点という重要な特徴がありますが、基礎研究作業からの強力なサポートも必要です。このような観点から、本研究グループは、インテリジェント建設力学の基礎の観点から関連する研究を行うことを試みました。このアイデアは学術界の同僚によって認められ、この論文の査読プロセス中に査読者から高く評価されました。査読者は、Automation in Construction 誌がこのような論文をさらに出版して、AutCoN の現在のトピック範囲を多様化すべきだと提案しました。

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論文著者情報

王青、中国海洋大学講師、ポストドクター研究員、

メールアドレス: [email protected]
任暁丹、工学博士、同済大学教授、博士課程指導者李傑、中国科学院院士、同済大学特別教授、上海防災救援研究所所長

出典：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2023.105037

論文の参考文献の形式:
Wang, Q., Ren, XD, Li, J. 3Dプリントコンクリートの施工性を予測するための損傷レオロジーモデル。Automation in Construction、2023: 105037。

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