CN104961411B - 一种用于3d打印的高性能粉末混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D打印的高性能粉末混凝土，所述混凝土由如下重量的原料制成：普通硅酸盐水泥500~900份；活性矿物掺和料250~350份；惰性填充料800~1300份；复合型高效减水剂粉剂10~20份；增稠剂2~5份；自养护剂4~10份；快速凝结时间调节剂2~10份；水145~230份；有机纤维3份；镀铜纤维40~200份。此种3D打印混凝土材料具有超高强度与韧性，耐久性好，全寿命周期长，固化速度快，流动性能好，易于泵送及提升，适合于建筑各类工程中3D打印建筑结构材料。

Description

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别涉及一种在建筑工程中用于3D打印的高性能粉末混凝土。

背景技术

实际上，3D打印技术是利用光固化和纸层叠的方式实现快速凝结成型的技术。3D打印机内装有粉末状树脂、金属或塑料类其他复合型的可粘合材料，与电脑连接后，通过一层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术可以应用于建筑行业中，在电脑设计绘制有关建筑物图样后，靠龙门架行走机构实现X 轴方向的运动；靠横梁实现Y 方向的运动；靠打印头上部的打印杆实现Z 方向的运动。靠打印头自身的伸缩和转动，实现打印喷头的局部运动，从而通过打印出建筑物的“平面层”的不断堆积，生成不同的建筑结构。

其中，在3D打印机喷头喷出的“油墨”为包括混凝土在内的物料，在中文文献《3D打印建筑技术与商品混凝土行业展望》（李福平、邓春林、万晶著，详见《混凝土世界》2013年03期）一文中披露：在3D打印建筑时代，商品混凝土的原材料将会变得更加广泛，比如胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等等；粗细骨料的质量要求会更高，以满足3D打印的需要，有可能会采用新的破碎工艺制造出完全不同于现在的材料；外加剂可能会从根本上发生改变，其在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也完全不同于现在。为满足3D打印的需要，混凝土将必须具备更好的流变性且能在空气中迅速凝结，骨料最大粒径会变得更小，颗粒形貌更接近圆形；还需要解决各层之间如何完美无缺的结合问题，这需要新型外加剂来完成。也就是说，要达到理想的3D打印效果，用于3D打印建筑的混凝土在自身性质上需要具备以下四个特点：（1）固化速度快；（2）自养护性能好；（3）流动性好，易于提升与泵送；（4）粘结度高。其中，通过在混凝土中添加自养护剂，可以使混凝土在自然养护的状态下转化为稳定的结晶，从而得到较大的强度，通过添加减水剂等泵送剂可以改善混凝土的流动性质。

然而，在建筑工程中普遍使用的混凝土并不具备可以用于3D打印的性质，如申请号为201410262231.X 名为“一种超高性能的混凝土”中国发明专利申请公开了一种超高性能混凝土，所述的超高性能混凝土包括以下质量份比的材料：胶凝材料：950～1000份，集料：1057～1107份，水：171～180份，钢纤维：78份，减水剂：14.25～15份，消泡剂：5.7～6份；集料包括：粒径3～5mm的机制砂、粒径1～3mm的机制砂和粒径为0.21～0.42mm的河砂，其中3～5mm的机制砂、粒径1～3mm的机制砂和粒径为0.21～0.42mm的河砂的质量比为：1∶0.6∶0.4；凝胶材料包括以下质量分数的材料：硅酸盐水泥50％～60％、快硬水泥15％～25％和磨细水泥15％～25％；磨细水泥的粒径为：5～20μm。此类混凝土虽然一方面具备了较好的自养护性能，混凝土经过自然养护后可以得到较好的韧性和强度，另一方面也具备了较好的流动性，适合泵送与提升，但是，其不具有较佳的快凝性能，在3D打印过程中，难以形成预想的高强度混凝土结构；粘结度不高，这样会导致打印的建筑物成品分层现象明显，无法一体成型，不利于建筑物本身结构的稳定。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种固化速度快、自养护性能好、易于泵送和提升、粘结性能优良的高性能混凝土，适用于在建筑工程中3D打印建筑，通过打印成型的混凝土结构一体成型，并具备良好的结构强度。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥500~900份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料250~350份；

粒径小于2.50mm以下惰性填充料800~1300份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂10~20份；

增稠剂2~5份；

自养护剂4~10份；

快速凝结时间调节剂2~10份；

水145~230份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维40~200份。

在该种高性能粉末混凝土中，添加上述组分的快速凝结时间调节剂，混凝土凝结时间可以调节。打印时表面触变结皮凝固时间一般可以控制在2~10分钟，初凝一般可以控制在40分钟以内，终凝时间控制在60分钟以内，有利于利用纸层叠的方法打印出混凝土结构，经过3D打印的混凝土结构可快速成型，无明显地分层现象，达到一体化结构，使混凝土结构获得更高的强度；添加上述组分的减水剂等原料，并使用平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料，能一定程度提高该高性能粉末混凝土的流动性和凝结成型后结构的致密性，适合在3D打印过程中，混凝土能从打印机喷嘴中顺滑、连续喷出；通过添加上述组分的自养护剂，喷出成型的混凝土在自然养护的状态下快速转化为稳定结晶，混凝土内部结构更加致密，使其获得更优的结构强度。

其中，所述快速凝结时间调节剂为无碱速凝剂，所述无碱速凝剂由以下重量组分的原料混合而成：硅酸钠3~5份，铝酸钠6~8份，硫酸铝15~25份，羟基羧酸3~8份。使用无碱速凝剂一方面可以调节高性能粉末混凝土的固化速度，以适应3D打印中混凝土结构快速成型的需要，另一方面，相比于常用的碱性或者低碱速凝剂，添加无碱速凝剂的3D打印高性能粉末混凝土结构不出现泛白现象，降低了碱类物质析出，降低了了化学腐蚀性，提高混凝土结构整体牢固、美观。

进一步地，所述活性矿物掺和料由重量组分为80~140份硅粉、65~125份陶瓷抛光砖粉、55~125份一级粉煤灰或50~90份S95矿粉中的一种或多种混合而成。其活性成分可大幅吨提高打印构件强度及结构致密度，提高耐久性及构筑物使用寿命。

进一步地，所述自养护剂为由重量组分为30~50份沸石粉和2~4份吸水树脂中的一种或两种制成，其作用主要减少后续建筑建构的干缩裂纹，确保强度在失水养护条件下可正常发展，对构筑物结构强度的后期发展提供有力保障。所述增稠剂为纤维素醚类增稠剂。

优选地，所述用于3D打印技术高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥700~800份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料270~320份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料900~1100份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂15~20份；

增稠剂3~5份；

自养护剂6~9份；

快速凝结时间调节剂5~8份；

水180~210份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维100~180份。

优选地，所述用于3D打印技术高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥750份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料300份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料1000份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂18份；

增稠剂4份；

自养护剂8份；

快速凝结时间调节剂7份；

水200份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维150份。

其中3D打印高性能粉末混凝土通过以下方法制备而成：

S1、将配方限定的镀铜钢纤维、有机纤维、硅酸盐水泥及活性掺和料加入搅拌机搅拌至分散均匀；

S2、再向搅拌机中加入配方限定的惰性掺和料、复合减水粉剂、增稠剂、自养护剂、快速凝结时间调节剂继续搅拌至均匀；

S3、将步骤S2搅拌好的备用材料进行打包得到粉料；

S4、将步骤S3得到的粉料依照3D建筑结构打印方量在打印前进行放入搅拌机并加入相对应限定配方比例水，快速搅拌1~2分钟，即可成为建筑结构3D打印油墨，正式打印。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明技术方案涉及的3D打印用高性能粉末混凝土，扩展度直径不小于500mm，易于泵送与提升、凝结时间可调节，打印时表面触变结皮凝固时间一般可以控制在3~10分钟，初凝一般可以控制在40分钟以内，终凝时间控制在60分钟以内，打印过程总材料界面结合一体化好，无分层现象，可连续施工进行高层建筑或特殊等不同构件打印生产。

（2）利用该种高性能混凝土打印成型的混凝土结构强度优良，耐久性好，抗震、抗冲击性能好，其2小时结构强度不低于20兆帕，1天强度不低于50兆帕，3天强度不低于70兆帕，抗折强度不低于10兆帕，弹模不低于35GP 28天强度不低于110兆帕，抗折强度不低于14兆帕，弹模不低于42GP，打印材料采用加工为粉体形式包装，现场施工直接加水搅拌2~3分钟后即可泵送，施工时间短，快速，适合现场施工打印或者快速制作混凝土预制件。

（3）该高性能混凝土材料综合成本造价低，材料来源广泛、大掺量工业废料，由于强度高，耐久性好，因此可大幅减轻结构设计重量，节约建筑材料及能源消耗，可为快速实现工业生产建筑智能化做支撑。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。

实施例1

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥500份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料250份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料800份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂10份；

增稠剂2份；

自养护剂4份；

无碱快速凝结时间调节剂2份；

水145份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维40份。

其中，所述无碱快速时间调节剂由以下重量组分的原料混合而成：硅酸钠3份，铝酸钠6份，硫酸铝15份，羟基羧酸3份。

所述活性矿物掺和料由重量组分为80份硅粉、65份陶瓷抛光砖粉、55份一级粉煤灰或50份S95矿粉中的一种或多种混合而成，所述自养护剂为30份沸石粉和2份吸水树脂中制成，所述增稠剂为纤维素醚类增稠剂。

所述用于3D打印的高性能粉末混凝土通过以下方法制备而成：

S1、将配方限定的镀铜钢纤维、有机纤维、硅酸盐水泥及活性掺和料加入搅拌机搅拌4分钟进行分散均匀；

S2、再向搅拌机中加入配方限定的惰性掺和料、复合型减水粉剂、增稠剂、自养护剂、快速凝结时间调节剂继续搅拌4分钟至均匀；

S3、将步骤S2搅拌好备用材料，进行打包得到粉料；

S4、将步骤S3得到的粉料依照3D建筑结构打印方量在打印前进行放入搅拌机加入相对应限定配方比例水，快速搅拌2分钟，即可成为建筑结构3D打印油墨正式打印。

实施例2

除了用于3D打印的高性能粉末混凝土、无碱快速凝结时间调节剂、活性矿物掺和料、自养护剂的配方不同外，其他同实施例1；

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥900份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料350份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料1300份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂20份；

增稠剂5份；

自养护剂10份；

无碱快速凝结时间调节剂10份；

水230份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维200份。

其中，所述无碱凝结时间调节剂由以下重量组分的原料混合而成：硅酸钠5份，铝酸钠8份，硫酸铝25份，羟基羧酸8份。

所述活性掺和料由重量组分为140份硅粉、125份陶瓷抛光砖粉、125份一级粉煤灰或90份S95矿粉中的一种或多种混合而成。所述自养护剂由50份沸石粉和4份吸水树脂中的一种或两种制成。

实施例3

除了用于3D打印的高性能粉末混凝土的配方不同外，其他同实施例1；

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥700份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料270份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料900份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂15份；

增稠剂3份；

自养护剂6份；

无碱快速凝结时间调节剂5份；

水180份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维100份。

实施例4

除了用于3D打印的高性能粉末混凝土的配方不同外，其他同实施例1；

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥800份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料320份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料1100份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂20份；

增稠剂5份；

自养护剂9份；

无碱快速凝结时间调节剂8份；

水210份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维180份。

实施例5

除了用于3D打印的高性能粉末混凝土的配方不同外，其他同实施例1；

一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥750份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料300份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料1000份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂18份；

增稠剂4份；

自养护剂8份；

无碱快速凝结时间调节剂7份；

水200份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维150份。

其制备方法同实施例1；

对比例1

除了无碱快速凝结时间调节剂的添加量为1份，自养护剂的添加量为1份，减水剂粉剂的添加量为5份，活性矿物掺和料为200份，其他条件同实施例1。

对比例2

除了无碱快速凝结时间调节剂的添加量为15份，自养护剂的添加量为15份，减水剂粉剂的添加量为25份，活性矿物掺和料为400份，其他条件同实施例2。

对比例3

除了添加碱性速凝剂作为快速凝结时间调节剂，其他条件同实施例5。

其中，碱性速凝剂的成分为35％的铝矾土，24％的纯碱，30％的石灰石，11％的煤。

利用实施例1~5和对比例1~3所述混凝土进行3D打印形成混凝土结构后，并对其流动性能、强度、凝结情况和分层情况进行实验测试，实验数据如下表所示：

对比例1、2与实施例1、2对比，其性能参数均远远不如实施例1、2，可见，无碱快速凝结时间调节剂、自养护剂、减水剂粉剂和活性矿物掺和料的组配对3D打印效果的影响，无碱快速凝结时间调节剂、自养护剂、减水剂粉剂和活性矿物掺和料的重量份分别为2~10份、4~10份、10~20份、250~350份为最优；对比例3为将碱性速凝剂作为快速凝结时间调节剂，与实施例5对比，不仅仅性能参数远不如实施例3，并且在试验中对比例3还出现泛白现象，影响建筑表面颜色，并不适用于3D打印，可见，作为快速凝结时间调节剂适用选用无碱速凝剂。

Claims (3)

1.一种用于3D打印的高性能粉末混凝土，其特征在于，由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥700~800份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料270~320份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料900~1100份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂15~20份；

增稠剂3~5份；

自养护剂6~9份；

快速凝结时间调节剂5~8份；

水180~210份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维100~180份；

所述活性矿物掺和料由重量组分为80~140份硅粉、65~125份陶瓷抛光砖粉、55~125份一级粉煤灰或50~90份S95矿粉中的一种或多种混合而成；

所述快速凝结时间调节剂为无碱速凝剂；所述无碱速凝剂由以下重量组分的原料混合而成：硅酸钠3~5份，铝酸钠6~8份，硫酸铝15~25份，羟基羧酸3~8份；

所述自养护剂为重量组分为30~50份沸石粉和2~4份吸水树脂中的一种或两种制成；所述增稠剂为纤维素醚类增稠剂。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印的高性能粉末混凝土，其特征在于，由以下重量组分的原料制成：

平均粒径20~60μm的不低于42.5等级普通硅酸盐水泥750份；

平均粒径0.1~60μm,活性指数7天大于120%活性矿物掺和料300份；

粒径小于2.5mm以下惰性填充料1000份；

减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂18份；

增稠剂4份；

自养护剂8份；

快速凝结时间调节剂7份；

水200份；

长度6~12mm的有机纤维3份；

长度6~15mm，直径0.08~0.25 mm镀铜纤维150份。

3.根据权利要求1所述的用于3D打印的高性能粉末混凝土，其特征在于，所述3D打印高性能粉末混凝土通过以下方法制备而成：

S1、将配方限定的镀铜钢纤维、有机纤维、硅酸盐水泥及活性掺和料加入搅拌机搅拌至分散均匀；

S2、再向搅拌机中加入配方限定的惰性掺和料、复合减水粉剂、增稠剂、自养护剂、快速凝结时间调节剂继续搅拌至均匀；

S3、将步骤S2搅拌好的备用材料进行打包得到粉料；

S4、将步骤S3得到的粉料依照3D建筑结构打印方量在打印前进行放入搅拌机并加入相对应限定配方比例水，快速搅拌1~2分钟，即可成为建筑结构3D打印油墨，正式打印。