2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of time-dependent constitutive laws and generalized analysis methods for 3D printing cement mortar
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19K15060
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大野 元寛 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (30821970)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 3Dプリンティング / セメント系材料 / 積層性 / せん断強さ / せん断帯 / デジタル画像相関法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，材料押出積層方式にもとづくセメント系材料の3Dプリンティング（3DP)技術について，フレッシュモルタルの積層性（積層可能な最大高さやプリント中の積層体の変形・沈下量）と，プリントされたモルタル硬化体の力学特性を的確に予測・評価する手法の開発に取り組んだ．
積層性を支配する材料物性として，モルタルのせん断強さに着目した．具体的には，上層の自重によって各層に生じるせん断応力が，材料のせん断強さを上回った時に積層体が崩壊するというモデルを用いた．せん断強さの測定には現場でも容易に実施可能なベーン試験を用いることを提案した．石灰石微粉末ペースト（LP），セメントモルタル（CM)，3Dプリンティング用モルタル（3DPM：通常のモルタルに急硬材等を添加したもの）の3種の材料に対し，異なる温度環境下でのせん断強さの時間発展を測定した．これらのデータにもとづき，3Dプリントされる材料のせん断強さの時間発展モデルを構築できる．また，プリント条件からせん断応力の時間発展を求め，せん断強さの時間発展と比較することで積層性の予測が可能である．
また，プリント中に積層性をリアルタイムで評価する手法も開発した．具体的には，プリント中の積層体にデジタル画像相関法を適用し，積層体表面のひずみ・変位の変化を追跡することで，積層体の崩壊を事前に予知することが可能であることを実証した．
プリントされたモルタル硬化体の力学特性については，モルタルフィラメント間の付着および層間の空隙や離隔に着目した実験的研究を行った．実験の結果から，層間に肉眼で確認できる粗大な空隙が無い場合でも，プリントした供試体の各種強度が打設した供試体と比較して低下することが確認された。層間に粗大な空隙が存在する場合は，空隙周りに応力集中が生じ，ひび割れの発生箇所と進展方向を左右することが明らかとなった。
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