CN107619230A

CN107619230A - 一种用于3d打印的混凝土材料

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Publication number: CN107619230A
Application number: CN201710858094.XA
Authority: CN
Inventors: 张云升; 张宇
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: CN107619230B

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的混凝土材料，由如下重量百分比的组分：22％～67％的水泥、0～4.5％的矿物掺合料、0～5％的纳米粘土、21.5％～66.5％的砂石、0.03％～0.2％的减水剂、0～0.09％的增稠流变剂、0～1％的引气剂以及11％～23％的水配制而成。本发明用于3D打印的混凝土材料在打印前具有良好的流动性，从而经混凝土泵机泵送到混凝土3D打印机过程中不会出现堵塞或离淅现象；同时本发明用于3D打印的混凝土材料在打印出来后混凝土建筑层可迅速站立而不塌落或流动，且还具有一定的支撑强度，可支撑其下一层的打印，从而保证混凝土建筑层打印的连续性。

Description

一种用于3D打印的混凝土材料

技术领域

本发明涉及一种混凝土材料，尤其涉及一种用于3D打印的混凝土材料，属于建筑材料技术领域。

背景技术

3D打印是80年代中期在全球快速发展的一门新兴科学技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用树脂、金属、水泥或陶瓷等作为粘合材料，通过逐层堆叠累积构造物体的快速成型方式。3D打印可摒弃工厂生产线，也勿需机械加工或模具，在现场直接从计算机图形数据中打印出具有设计形状的零部件，极大缩短了产品的研制周期、减少了材料浪费，显著提高了生产率和降低了生产成本，也大幅度减少了劳动力数量。目前3D打印已逐步在国防、航空航天、汽车、医疗、建筑、工业设计、珠宝等领域进行相应发展与应用。3D打印技术已成为21世纪战略性和先导性技术，其广泛应用可大幅度节省成本，节约能源和资源，提高产品的加工精度和速度，将显著改变制造业的生产方式，提升国家制造业的国际竞争力。2012年4月，英国著名期刊《经济学人》刊文认为，3D打印技术将与其它数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。美欧日等发达国家亦高度重视3D打印技术，已将其提升到国家战略层面，并投入巨资进行开发研究。

近几年，3D打印技术开始在建筑业尝试使用。在美国，2012年南加州大学教授比洛克·霍什内维斯率先研究利用混凝土为原料“打印”建筑，由一个巨型的三维挤出机械构成，挤压头上使用齿轮传动装置，通过一层一层地“增加”，通过逐层累积建造出内墙和外墙、门窗的空间、各种水电空调管网，从而制造出建筑物。在欧洲，2013年，荷兰建筑师简加普·鲁基森纳斯会与意大利发明家EnricoDini(D-Shape3D打印机发明人)合作，计划用3D打印技术打印出包含砂子和无机粘合剂的6×9(米)的一幢两层小楼。建筑领域的3D打印技术除了大型高精度打印机的研发之外，可用于3D打印的混凝土材料的研发也十分重要。目前建筑用的普通混凝土或高性能混凝土不能满足要求，因为3D打印要求混凝土材料具有迅速的成型性能，混凝土材料从打印机流出后，马上要能“站立”，不能再继续流动，即具有优良的触变性能(较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力，一经搅动混凝土迅速流变，一旦流出后混凝土快速站立)，同时应具备较快的凝结时间和较高的早期强度。否则打印出的结构尺寸与初始设计有较大偏差，并且在不断层叠过程中下部混凝土不能变形。因此开发一种可迅速站立的高触变性的混凝土3D打印材料对于建筑领域的3D打印技术具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于3D打印的混凝土材料，该混凝土3D打印材料在打印前具有良好的流动性，在打印后能迅速站立且不塌落或流动，同时还具有一定的支撑强度，能支撑其后续层级的打印。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于3D打印的混凝土材料，由如下重量百分比的组分：22％～67％的水泥、0～4.5％的矿物掺合料、0～5％的纳米粘土、21.5％～66.5％的砂石、0.03％～0.2％的减水剂、0～0.09％的增稠流变剂、0～1％的引气剂以及11％～23％的水配制而成。

其中，打印前，所述混凝土材料中具有针状或片状结构的纳米黏土呈有序的排列。

其中，打印后，所述混凝土材料中具有针状或片状结构的纳米黏土相互搭接形成网状纳米结构。

其中，所述水泥为硅酸盐水泥，水泥的比表面积为300～400m²/kg，每立方混凝土材料中水泥的掺入量为400～1200kg。

其中，所述矿物掺合料为硅灰或/和I级粉煤灰；其中，硅灰的比表面积为13000～20000m²/kg，每立方混凝土材料中硅灰的掺入量为0～40kg，I级粉煤灰的比表面积为310～420m²/kg，每立方混凝土材料中I级粉煤灰的掺入量为0～40kg；硅灰能够增大胶凝材料的粘度，降低混凝土的流动度，使得混凝土具有一定的流动性的同时还在打印后具有足够的强度；I级粉煤灰的滚珠效应能够有效改善混凝土材料的流动性，使得混凝土材料在满足泵送和3D打印流动性的同时还能降低水泥的掺入量。

其中，所述纳米粘土的粒径为0.01～0.5μm，每立方混凝土材料中纳米粘土的掺入量为0～90kg。

其中，所述砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为0～10mm，每立方混凝土材料中砂石的掺入量为600～1400kg，砂石的粒径为0～10mm，这个范围的砂石，不仅能满足级配要求，而且也是3D打印机所能打印的最大砂石粒径。

其中，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为20％～50％，减水率为10％-40％，每立方混凝土材料中减水剂的掺入量为0.5～3kg。

其中，所述增稠流变剂为纤维素钠盐类增稠流变剂，如羧甲基纤维素钠盐，每立方混凝土材料中增稠流变剂的掺入量为0～1.5kg；增稠流变剂在混凝土中增加混凝土稠度的同时又改善混凝土的流动性。引气剂利用气泡的滚珠效应，能够有效改善混凝土材料的流动性，从而满足混凝土材料的3D打印和泵送。

本发明用于3D打印的混凝土材料配方中各组分相互配合，协同增效一起改善混凝土材料流动性能的同时还能提高打印出的混凝土建筑层的强度；配方中的硅灰能够增加混凝土材料的粘度，从而提高打印出来的混凝土的固化速度和强度；粉煤灰和引气剂协同改善混凝土材料的流动性，减水剂降低混凝土材料的用水量，增稠流变剂在保证混凝土材料具有一定稠度的同时仍具有所需的流动性，纳米粘土从材料的微观结构上改善混凝土材料的性能，纳米粘土使混凝土材料在打印前具备良好的流动性，打印后依靠纳米粘土的针状或片状结构相互搭接形成网状纳米结构，从而支撑起混凝土材料中较大的颗粒，从而支撑后续混凝土建筑层的连续打印。

相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：

本发明用于3D打印的混凝土材料在打印前具有良好的流动性，从而经混凝土泵机泵送到混凝土3D打印机过程中不会出现堵塞或离淅现象；本发明用于3D打印的混凝土材料在打印出来后混凝土建筑层可迅速站立而不塌落或流动，同时还具有一定的支撑强度，可支撑其下一层的打印；进一步说，本发明3D打印混凝土材料可支持混凝土建筑层打印的连续性，可连续打印33层而不塌落或流动。

附图说明

图1为本发明用于3D打印的混凝土材料打印前后微观结构的变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

实施例1

本发明用于3D打印的混凝土材料，由如下重量的组分配制而成：36kg硅酸盐水泥、60kg级配良好的砂石、1kg硅灰、1kg I级粉煤灰、2kg纳米粘土、1kg减水剂、5g增稠流变剂、10g引气剂以及16kg水。

将配方量的硅酸盐水泥、砂石、硅灰、I级粉煤灰以及纳米粘土加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A，然后将配方量的减水剂和引气剂加入配方量的水中搅拌一定时间得到混合物料B，将混合物料A和混合物料B混合后再加入配方量的增稠流变剂，继续搅拌均匀制得混凝土材料；将制得的混凝土材料通过混凝土泵机泵送至混凝土3D打印机中，开始打印混凝土建筑层。

观察结果：实施例1的混凝土材料打印得到的混凝土建筑层具备良好的外观，且可支持连续打印而不塌落或流动，可连续打印33层。

实施例2

本发明用于3D打印的混凝土材料，由如下重量的组分配制而成：38kg硅酸盐水泥、60kg级配良好的砂石、1kg硅灰、1kg I级粉煤灰、1kg减水剂、5g增稠流变剂、10g引气剂以及16kg水。

将配方量的硅酸盐水泥、砂石、硅灰以及I级粉煤灰加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A，然后将配方量的减水剂和引气剂加入配方量的水中搅拌一定时间得到混合物料B，将混合物料A和混合物料B混合后再加入配方量的增稠流变剂，继续搅拌均匀制得混凝土材料；将制得的混凝土材料通过混凝土泵机泵送至混凝土3D打印机中，开始打印混凝土建筑层。

观察结果：实施例2的混凝土材料打印得到的混凝土建筑层具备良好的外观(材料外观光滑且无断层)，但仅仅只能连续打印一至三层，混凝土建筑层便开始塌落或流动，不能支持混凝土建筑层的连续打印。

图1中，本发明实施例1混凝土材料在搅拌器中搅拌以及被泵送至混凝土3D打印机中时，混凝土材料中呈针状或片状结构的纳米粘土为有序的排列，从而保证了混凝土材料的良好的流动性能，当打印完成后，混凝土建筑层处于静止状态，此时混凝土材料中纳米粘土的微观结构相互搭接形成网状纳米结构，从而支撑起混凝土材料中较大的颗粒，进而保证了混凝土建筑层的连续打印。

表1为实施例1和实施例2的3D打印混凝土材料在打印前和打印后的性能对比：

通过表1可知，实施例1与实施例2的3D打印混凝土材料在打印连续性上表现不同，这是因为由于纳米黏土的掺入对3D打印混凝土材料的建造高度或打印的可持续性具有显著的影响，纳米黏土的加入能有效改善3D打印混凝土材料的触变性，增加湿坯强度，使得3D打印混凝土材料在具有较高流动性的条件下仍能保持打印的可持续性和良好的建造性。

Claims

1.一种用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：由如下重量百分比的组分：22％～67％的水泥、0～4.5％的矿物掺合料、0～5％的纳米粘土、21.5％～66.5％的砂石、0.03％～0.2％的减水剂、0～0.09％的增稠流变剂、0～1％的引气剂以及11％～23％的水配制而成。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：打印前，所述混凝土材料中具有针状或片状结构的纳米黏土呈有序的排列。

3.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：打印后，所述混凝土材料中具有针状或片状结构的纳米黏土相互搭接形成网状纳米结构。

4.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥，水泥的比表面积为300～400m²/kg，每立方混凝土材料中水泥的掺入量为400～1200kg。

5.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述矿物掺合料为硅灰或/和I级粉煤灰；其中，硅灰的比表面积为13000～20000m²/kg，每立方混凝土材料中硅灰的掺入量为0～40kg，I级粉煤灰的比表面积为310～420m²/kg，每立方混凝土材料中I级粉煤灰的掺入量为0～40kg。

6.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述纳米粘土的粒径为0.01～0.5μm，每立方混凝土材料中纳米粘土的掺入量为0～90kg。

7.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为0～10mm，每立方混凝土材料中砂石的掺入量为600～1400kg。

8.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为20％～50％，减水率为10％-40％，每立方混凝土材料中减水剂的掺入量为0.5～3kg。

9.根据权利要求1所述的用于3D打印的混凝土材料，其特征在于：所述增稠流变剂为纤维素钠盐类增稠流变剂，每立方混凝土材料中增稠流变剂的掺入量为0～1.5kg。