CN109534757B - 一种建筑3d打印快速成型复合材料 - Google Patents

一种建筑3d打印快速成型复合材料 Download PDF

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Abstract

一种建筑3D打印快速成型复合材料。按重量份计，所述复合材料包括以下原料：水泥300‑450份、矿渣微粉80‑125份、骨料460‑540份、减水剂0.2‑0.8份、复合调凝剂1.0‑1.9份和体积稳定剂45‑63份；所述复合调凝剂由促凝剂和缓凝剂组成，其中，所述促凝剂和缓凝剂的重量份比为：(0.4‑0.8)份：(0.6‑1.1)份；所述体积稳定剂由(25‑35)份高钙粉煤灰和(20‑28)份CSA膨胀剂组成。本发明提出的复合材料制备出的打印材料黏结性好，稳定性强，具有良好的出泵形态保持能力和黏结性能，使打印的建筑物具有良好的形态和体积稳定性。

Description

一种建筑3D打印快速成型复合材料
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种建筑3D打印快速成型复合材料。
背景技术
目前，建筑3D打印材料的普通建筑混凝土由于初凝时间是6～10h，固化时间超过24小时，无法满足3D打印的要求。石膏基建筑材料在喷涂***中有良好的快干和强度，但是石膏基建筑材料的缺点比如凝结时间快，吸水率比较高，容易变质等原因在3D打印中肯定会存在很多缺点。快干水泥用于3D打印主要是强碱激发水泥的强度，这样确实也能让水泥的强度上来的快，但是后期的粉化等都是很大的问题。不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求；且一般呈流动性，无法满足3D打印过程中的竖直堆积性能，所以无法作为3D打印材料使用。文献《水泥基建筑3D打印材料的制备及应用研究》提供了一种适合建筑3D打印使用的水泥基复合材料，解决现有技术中用于3D打印技术的材料多为有机材料的问题；还解决现有普通水泥基材料凝结时间长且一般呈流动性、没有触变性能、不适用于3D打印过程的技术问题。然而，本发明认为这种水泥基建筑3D打印材料存在初凝时间控制幅度范围过大，对于一般技术人员不易掌握，并且未能对水泥基建筑3D打印材材料的体积稳定做出深入的研究。因此，有必要研究新的建筑3D打印快速成型材料。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种建筑3D打印快速成型复合材料，本发明提出的复合材料能够保证制备出的黏结性好，稳定性强、力学性能优异，使打印的建筑物保持良好的形态和体积稳定的打印材料。
本发明的目的之一是提供一种建筑3D打印快速成型复合材料。
本发明的目的之二是提供一种建筑3D打印快速成型复合材料的使用方法。
本发明的目的之三是提供上述建筑3D打印快速成型复合材料及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：水泥300-450份、矿渣微粉80-125份、骨料460-540份、减水剂0.2-0.8份、复合调凝剂1.0-1.9份和体积稳定剂45-63份；所述复合调凝剂由促凝剂和缓凝剂组成，其中，所述促凝剂和缓凝剂的重量份比为：(0.4-0.8)份：(0.6-1.1)份；所述体积稳定剂由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成，其中，所述高钙粉煤灰和CSA膨胀剂的重量份比为：(25-35)份：(20-28)份。
进一步地，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：水泥400-450份、矿渣微粉80-100份、骨料460-500份、减水剂0.4-0.8份、复合调凝剂1.4-1.8份和体积稳定剂45-58份；所述复合调凝剂由促凝剂和缓凝剂组成，其中，所述促凝剂为0.6-0.8份，所述缓凝剂为0.8-1.0份；所述体积稳定剂由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成，其中，所述高钙粉煤灰为30-33份，所述CSA膨胀剂为25-28份。
进一步地，所述水泥为硫铝酸盐水泥，42.5R快硬硫铝酸盐水泥由于比普通硅酸盐的凝结速度更快和早期强度更高优选作为胶凝材料。
进一步地，所述矿渣微粉的细度为420-500m2/kg，矿渣微粉的主要作用是可以提高水泥、混凝土的早强和改善混凝土的某些特性，如易和性、提高早强、减少水化热等。
进一步地，所述骨料由粗骨料和细骨料组成；优选地，所述粗骨料为粒径小于5mm的石子，所述细骨料为粒径0.25-0.5mm的中砂。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，例如：聚羧酸PC减水剂。在混凝土的配制过程中加入适当的聚羧酸减水剂，不仅能够达到良好的减水效果，而且在坍落度方面损失相对更小；同时，这种减水剂和胶凝材料有着良好的适应性，且无任何毒副作用，不会产生污染，可以实现对混凝土耐久性能的有效改良。
进一步地，所述复合调凝剂中，所述促凝剂为碳酸锂，所述缓凝剂为四硼酸钠。3D打印的连续性和安全性主要由材料的凝结时间和强度的控制，对凝结时间的控制尤其的重要。使用促凝剂、缓凝剂，可有效控制材料的凝结时间。促凝剂碳酸锂的促凝效果理想，可以在缩短凝结时间的同时，提高早期强度，并且对后期强度影响很小。缓凝剂四硼酸钠是快硬硫铝酸盐水泥比较理想的缓凝剂，既可以起到缓凝作用，又可以提高早期强度，且对28天强度无不良影响。
本发明提出的由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成的体积稳定剂能够保证制备出的打印材料黏结性好，稳定性强，具有良好的出泵形态保持能力和黏结性能，使打印的建筑物具有良好的形态和体积稳定。这是因为：本发明以高钙粉煤灰中的f-CaO水化为膨胀源，在确保安定性合格的前提下，充分利用高钙粉煤灰的膨胀特性，可补偿泵送混凝土的塑性收缩和早期的化学减缩，CSA膨胀剂掺入到水泥中后形成均匀的钙矾石晶体而产生膨胀作用主要发生在结晶阶段，由于钙矾石在水化硬化过程中的晶体生长穿透周围物质向外生长而具有一定的结晶压力和吸水肿胀变形，在约束条件下转变为水泥石的自压应力而使水泥石结构具有较好的抗拉变形能力。掺加CSA膨胀剂后，在水泥水化体系中生成钙矾石，填充于原体系中的充水空间，使水泥石更加致密，膨胀效能得到更好发挥。掺加CSA膨胀剂后水泥体系中孔含量略有增加，有较多的未水化的水泥颗粒，同时还有较多未长大的钙矾石晶体相互交叉生长，使水泥石微结构更加密实，从而进一步提升复合材料的力学性能。
再次，本发明公开上述建筑3D打印快速成型复合材料的使用方法，包括如下步骤：
(1)将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水混合均匀，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌均匀后即可进行打印。
最后，本发明公开上述建筑3D打印快速成型复合材料及其制备方法在建筑领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明提出的由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成的体积稳定剂能够保证制备出的打印材料黏结性好，稳定性强，具有良好的出泵形态保持能力和黏结性能，使打印的建筑物具有良好的形态和体积稳定。
(2)采用本发明复合材料进行3D打印制备的建筑物凝结时间短，触变性能好，抗压强度高，非常适用于3D打印。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有的建筑3D打印材料的普通建筑混凝土由于初凝时间是6～10h，固化时间超过24小时，不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求。为此，本发明提出一种建筑3D打印快速成型复合材料，下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。
下列实施例中，所述高钙粉煤灰购自山东海岩兴业建材有限公司；所述矿渣微粉购自山东昌盛源矿渣微粉有限公司。
实施例1
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥400份；
矿渣微粉80份，细度为450m2/kg；
粗骨料200份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料300份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.8份；
复合调凝剂，其由0.6份碳酸锂和0.8份四硼酸钠组成；
体积稳定剂，其由30份高钙粉煤灰和28份CSA膨胀剂组成。
2、利用本实施例建筑3D打印快速成型复合材料模拟制备3D打印建筑的方法，包括如下步骤：
(1)按比例上述将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水(水灰比为0.35)，搅拌40s，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌30s，得到打印浆料；
(3)将步骤(3)中打印浆料置于挤出机中，挤出机的转速为400r/s，即得。
实施例2
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥450份；
矿渣微粉100份，细度为500m2/kg；
粗骨料220份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料240份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.4份；
复合调凝剂，其由0.8份碳酸锂和1.0份四硼酸钠组成；
体积稳定剂，其由33份高钙粉煤灰和25份CSA膨胀剂组成。
2、利用本实施例建筑3D打印快速成型复合材料模拟制备3D打印建筑的方法，包括如下步骤：
(1)按比例上述将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水(水灰比为0.32)，搅拌30s，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌30s，得到打印浆料；
(3)将步骤(3)中打印浆料置于挤出机中，挤出机的转速为350r/s，即得。
实施例3
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥300份；
矿渣微粉125份，细度为500m2/kg；
粗骨料250份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料290份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.2份；
复合调凝剂，其由0.4份碳酸锂和0.6份四硼酸钠组成；
体积稳定剂，其由25份高钙粉煤灰和20份CSA膨胀剂组成。
2、利用本实施例建筑3D打印快速成型复合材料模拟制备3D打印建筑的方法，包括如下步骤：
(1)按比例上述将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水(水灰比为0.32)，搅拌30s，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌30s，得到打印浆料；
(3)将步骤(3)中打印浆料置于挤出机中，挤出机的转速为300r/s，即得。
实施例4
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥420份；
矿渣微粉90份，细度为420m2/kg；
粗骨料200份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料320份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.6份；
复合调凝剂，其由0.8份碳酸锂和1.1份四硼酸钠组成；
体积稳定剂，其由35份高钙粉煤灰和28份CSA膨胀剂组成。
2、利用本实施例建筑3D打印快速成型复合材料模拟制备3D打印建筑的方法，包括如下步骤：
(1)按比例上述将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水(水灰比为0.32)，搅拌30s，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌30s，得到打印浆料；
(3)将步骤(3)中打印浆料置于挤出机中，挤出机的转速为500r/s，即得。
实验例1
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥400份；
矿渣微粉80份，细度为450m2/kg；
粗骨料200份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料300份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.8份；
复合调凝剂，其由0.6份碳酸锂和0.8份四硼酸钠组成。
实验例2
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥400份；
矿渣微粉80份，细度为450m2/kg；
粗骨料200份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料300份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.8份；
复合调凝剂，其由0.6份碳酸锂和0.8份四硼酸钠组成。
体积稳定剂，其由30份高钙粉煤灰组成。
实验例3
1、一种建筑3D打印快速成型复合材料，按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
42.5R快硬硫铝酸盐水泥400份；
矿渣微粉80份，细度为450m2/kg；
粗骨料200份(粒径小于5mm的石子)；
细骨料300份(粒径0.25-0.5mm的中砂)；
聚羧酸PC减水剂0.8份；
体积稳定剂，其由28份CSA膨胀剂组成。
性能检测：
(1)采用国标GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试实施例1-4和试验例1-3的建筑3D打印快速成型复合材料制备的试样的性能，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0001943383260000071
(2)测试实施例1-3的建筑3D打印快速成型复合材料的体积稳定性，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0001943383260000072
从表2中可以看出，本发明的建筑3D打印快速成型复合材料具有良好的体积稳定性，这是因为发明以高钙粉煤灰中的f-CaO水化为膨胀源，充分利用高钙粉煤灰的膨胀特性，可补偿泵送混凝土的塑性收缩和早期的化学减缩，而掺加CSA膨胀剂后，在水泥水化体系中生成钙矾石，填充于原体系中的充水空间，使水泥石更加致密，膨胀效能得到更好发挥。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
水泥300-450份，
矿渣微粉80-125份，
骨料460-540份，
减水剂0.2-0.8份，
复合调凝剂1.0-1.9份，和
体积稳定剂45-63份；
其中，所述复合调凝剂由促凝剂和缓凝剂组成，所述促凝剂为碳酸锂，所述缓凝剂为四硼酸钠，且所述促凝剂和缓凝剂的重量份比为：0.4-0.8份：0.6-1.1份；
所述体积稳定剂由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成，且所述高钙粉煤灰和CSA膨胀剂的重量份比为：25-35份：20-28份。
2.如权利要求1所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：按重量份计，所述复合材料包括以下原料：
水泥400-450份，
矿渣微粉80-100份，
骨料460-500份，
减水剂0.4-0.8份，
复合调凝剂1.4-1.8份，和
体积稳定剂45-58份；
其中，所述复合调凝剂由促凝剂和缓凝剂组成，且所述促凝剂为0.6-0.8份，所述缓凝剂为0.8-1.0份；
所述体积稳定剂由高钙粉煤灰和CSA膨胀剂组成，且所述高钙粉煤灰为30-33份，所述CSA膨胀剂为25-28份。
3.如权利要求1或2所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述水泥为硫铝酸盐水泥。
4.如权利要求3所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述水泥42.5R快硬硫铝酸盐水泥。
5.如权利要求1或2所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述矿渣微粉的细度为420-500m2/kg。
6.如权利要求1或2所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述骨料由粗骨料和细骨料组成。
7.如权利要求6所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述粗骨料为粒径小于5mm的石子，所述细骨料为粒径0.25-0.5mm的中砂。
8.如权利要求1或2所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂。
9.如权利要求1或2所述的建筑3D打印快速成型复合材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸PC减水剂。
10.如权利要求1-9任一项所述的建筑3D打印快速成型复合材料的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将水泥、矿渣微粉、骨料和高钙粉煤灰放入干粉搅拌机，搅拌均匀，形成预混干粉；
(2)将预混干粉送入搅拌装置，加水混合均匀，然后加入减水剂、复合调凝剂和CSA膨胀剂，搅拌均匀后即可进行打印。
11.如权利要求1-9任一项所述的建筑3D打印快速成型复合材料在建筑领域中的应用。
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