CN109734342A

CN109734342A - 一种基于光固化3d打印的仿生混凝土粗骨料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109734342A
Application number: CN201910062902.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋金洋; 许光远; 郑琦; 武胜萍; 王凤娟; 陈宸; 吴思燕; 张傲宁
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开了一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料及其制备方法和应用，所述仿生混凝土粗骨料是以光固化树脂作为原料，通过3D打印方法所得，且该粗骨料包括主体结构和位于主体结构表面的仿生凸起结构，相对于现有技术，本发明提供的基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料，粒型更加圆润饱满，从理论上增强了混凝土的工作性与耐久性。表面分布的仿生凸起结构增大了骨料与水泥浆体间的机械咬合作用，可以增强高分子聚合物与水泥基无机非金属材料的界面粘结力。使用光固化3D打印制备的混凝土粗骨料，成型精确、质量稳定、打印速度快，具有极大的代替天然碎石骨料的潜力。

Description

一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及混凝土粗骨料的设计与制备领域，提供一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的发展，建筑行业对混凝土的需求量越来越大。中国的混凝土生产及使用量均处于世界前列，每年消耗大量的资源与能源。骨料是生产混凝土的原材料之一，占混凝土用料比例的一半以上。随着混凝土的年需求量逐步提高，作为骨料的天然砂石资源的需求量也越来越高。根据中国砂石协会提供的数据显示：目前中国混凝土原材料中，钢材、水泥以及砂石骨料的用量比例为1:6:36。高速公路修建一千米消耗的砂石超过五万吨，高速铁路每延伸一千米使用的砂石约为七万吨，普通建筑平均每平方米消耗的砂石量约为一吨。现在，中国每年开采、销售的天然砂石骨料量已超过200亿吨。

天然石料的挖掘、运输、破碎以及加工过程都需要消耗大量能量，在挖掘过程中对自然环境的破坏也是巨大的。地质景观常常被破坏严重，而且大量的土地资源被污染和浪费。地质结构甚至会被影响，导致地质灾害的发生。这样大的使用需求对中国自然资源以及生态环境的保护产生了巨大的挑战。当前国内的砂石开采生产企业多为中小企业，无法形成大规模工业化开采。这些企业缺少集中管理与先进的生产模式，采用较为落后的生产工具。对于骨料的生产质量不能保证，甚至不同批次生产的骨料在粒径、级配和表面形状上都有较大差异。一些劣质的石材骨料含有大量石粉，颗粒不饱满，甚至存在很多针状、片状的颗粒。事实上，已经有大量的研究表明，包括粒径、级配和表面形状在内的混凝土中的骨料性质对整体结构的力学性能和耐久性等质量指标会产生非常重要的影响。

作为近几十年出现的新兴技术，增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术可以完美地解决上述问题。3D打印技术也被称为增材制造技术，是利用计算机的图形计算能力，基于按照特定顺序，将经过设计的计算机模型按层沉积成物理实体的技术。由于借助了计算机的强大计算能力，3D打印技术对计算机模型的实体化过程的精度很高，可以得到极为准确的物理模型。另外，3D打印技术的打印速度较快，在较短的时间内即可获得打印成品，这与铸造技术相比是一个巨大的优势。

基于光聚合反应技术的3D打印方法脱颖而出，所获得的模型具有最好的成型分辨率和最低的特征尺寸。使用光固化3D打印技术制备的试件成型精度很高。工业上使用的工业级光固化打印机已经可以做到30μm层厚连续打印，常用的桌面级光固化打印机打印层厚也在50μm以下。由于光固化3D打印技术的成型方式是点成型(SLA)或面成型(DLP)，所以可以制备结构复杂的模型，完全可以满足各种模型从设计到制造的全过程的实现要求。另外，光固化3D打印过程中的模型分层切片、分层打印过程都由计算机控制，试件的成型过程无中断，也不需操作人员进行翻转、组装等操作。而且分不同批次打印的试件可以使用同一套计算机模型，打印过程的每一步在计算机的控制下都与其他批次完全相同，所以试件成型质量的稳定性可以得到有效保证。由于打印过程是单体分子或低聚物分子在紫外线照射下发生聚合反应的过程，所以试件的制造没有传统制造车间噪声与振动，对于环境的影响较小。

由于大分子链在外力作用下会发生松弛运动，高聚物整体对外界会显示出较高的韧性与弹性。水泥基材料的抗压强度较高，而且原料价格较低，来源较广。从上世纪初开始，已经有许多学者进行高分子聚合物与水泥基材料的复合研究，逐渐发展成为一门交叉学科。

但是，目前对于混凝土粗骨料的3D打印研究，如何开发更优结构和更优性能的混凝土粗骨料，函待解决。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有仿生特性的光固化3D打印混凝土粗骨料及其制备方法和应用，该粗骨料可以用于替代天然石材骨料，提高混凝土性能。

技术方案：为达到上述发明目的，发明提供如下技术方案：

一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料，所述仿生混凝土粗骨料是以光敏树脂作为原料，通过3D打印方法所得，且该粗骨料包括主体结构和位于主体结构表面的仿生凸起结构。

作为优选：

所述主体结构为实心或者空心结构，表面光滑或者带有花纹沟结构，形状上为正球体或者椭球体。

所述仿生凸起结构具有缩紧的颈部与凸出的头部倒钩结构，或者所述仿生凸起结构为弯曲的针棒状结构。

所述仿生凸起结构为病毒、海胆或者苍耳的仿生结构。

所述光敏树脂选自刚性光敏树脂、柔性光敏树脂、弹性光敏树脂、高精度光敏树脂、高硬度光敏树脂、高韧性光敏树脂、高精度光敏树脂等，成分为改性或者非改性的环氧树脂、环氧丙烯酸酯基树脂、不饱和聚酯基树脂、聚酯丙烯酸酯基树脂以及聚氨酯丙烯酸酯基树脂等，这些成分通过添加纳米二氧化硅、蒙脱土、Al₂O₃、MWCNT、碳纤维、多壁碳纳米管等各种无机粉体及纤维体的增强体或功能化单体，对所述光敏树脂进行包括但不限于强度、塑性、硬度、疲劳、冲击韧性、导电、导热、表面浸润等的性能改变。

所述的仿生混凝土粗骨料的制备方法，包括先利用三维设计软件设计所述结构的仿生混凝土粗骨料模型，然后以光敏树脂作为原料，利用数字光投影3D打印方法将所设计模型打印，经过清洗、拆模、紫外光照增强，即得。

优选，包括以下步骤：

(1)利用三维设计软件设计所述结构的仿生混凝土粗骨料，将设计好的仿生混凝土粗骨料做大小变换，得到直径4.75mm，7.5mm，9.5mm，12.5mm，16mm，17.5mm，19mm的粗骨料三维模型；使用三维切片软件对仿生混凝土粗骨料做切片处理，以及做添加支撑处理；

(2)以光敏树脂为原料，利用数字光投影3D打印技术将步骤(1)的模型打印，经过清洗、拆模、紫外光照增强，即得。

作为优选，3D打印的条件为：基层打印层数为3～5层，基层光照时间为25～40s，其它层光照时间为7～10s，光通量为300～500lm。

作为优选，清洗剂为分析纯酒精，光照增强光源为405nm波长LED无影灯，功率为200W，光照时间1小时。

所述的仿生混凝土粗骨料在制备混凝土中的应用，优选，包括以水泥作为胶凝材料，标准砂作为细骨料，加入水搅拌均匀后，将所述仿生混凝土粗骨料压入砂浆中心，养护，即得。

本发明使用光固化3D打印混凝土骨料，形状可设计，粒径、级配可调控，质量稳定性可保障。可以解决机制破碎石质骨料粒径难以调控、形状难以统一、质量稳定性差的问题，还可以进一步达到保护环境、可持续发展的目的。另外，针对3D打印可制造复杂形状这一特性，3D打印骨料可以获得统一的新形状，可以获得结构、功能一体化的混凝土骨料。本发明充分考虑骨料粒型与级配搭配及当下成型技术限制，采用光固化3D打印这一种新方法制备混凝土骨料这一古老材料，提出一种新型粗骨料的设计与制备实施方法，所制得的混凝土粗骨料具有仿生特性，满足混凝土粗骨料粒型要求。

技术效果：相对于现有技术，本发明提供的基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料，粒型更加圆润饱满，从理论上增强了混凝土的工作性与耐久性。表面分布的仿生凸起结构增大了骨料与水泥浆体间的机械咬合作用，可以增强高分子聚合物与水泥基无机非金属材料的界面粘结力。使用光固化3D打印制备的混凝土粗骨料，成型精确、质量稳定、打印速度快，具有极大的代替天然碎石骨料的潜力。

附图说明

图1为本发明仿生混凝土粗骨料的结构示意图，其中1.实心正球体骨料核心；2.具有缩紧的颈部与凸出的头部的骨料仿生凸起结构；

图2为本发明仿生混凝土粗骨料的结构示意图，其中1.空心正球体骨料核心；2.具有缩紧的颈部与凸出的头部的骨料仿生凸起结构；

图3为本发明仿生混凝土粗骨料的结构示意图，其中1.分布有花纹沟的实心椭球型骨料核心；2.粗壮的弯曲的针棒状骨料仿生凸起结构；

图4为本发明仿生混凝土粗骨料的结构示意图，其中1.分布有花纹沟的实心椭球型骨料核心；2.细小的弯曲的针棒状骨料仿生凸起结构；

图5为12.5mm粒径的单骨料砂浆受压应力应变曲线；

图6为4.75mm粒径的单骨料砂浆受压应力应变曲线。

具体实施方式

仿生混凝土粗骨料的设计，包括以下步骤：

(1)利用三维设计软件(可采用Pro/Engineer,SolidWorks,AutoCAD,UnigraphicsNX等商业软件或开源软件)设计一种仿生混凝土粗骨料，如图1-4所示，主体结构为正球形实心或空心结构，或者为表面带有花纹沟结构的实心椭球型结构，且表面分布仿生凸起结构，所述仿生凸起结构具有缩紧的颈部与凸出的头部倒钩结构，或者所述仿生凸起结构为弯曲的针棒状结构。使用三维设计软件将设计好的仿生混凝土粗骨料做大小变换，得到直径4.75mm，7.5mm，9.5mm，12.5mm，16mm，17.5mm，19mm的粗骨料三维模型；使用三维切片软件(可采用Cura,Simplify3D,Craftware,OctoPrint等商业软件或开源软件)对仿生混凝土粗骨料做切片处理，特征是层厚50μm；使用三维切片软件对仿生混凝土粗骨料做添加支撑处理。

(2)光敏树脂选用通用刚性光敏树脂，购买自深圳市创想三维科技有限公司，利用数字光投影3D打印技术将步骤(1)的模型打印，经过清洗、拆模、紫外光照增强，即得。

步骤(1)中，设计的仿生混凝土粗骨料核心为正球形实心结构，由半圆旋转360°得到，圆心(0,0)，半径3.5(单位：mm)。球上分布有旋转体特征性仿生触手结构，特征是具有缩紧的颈部与凸出的头部倒钩结构。触手结构由样条曲线旋转360°得到，样条曲线由10个样条曲线点组成(单位：mm)：(0，2.50)，(-0.10，2.42)，(-0.35，2.45)，(-0.41，2.58)，(-0.33，2.69)，(-0.25，2.95)，(-0.27，3.15)，(-0.55，3.34)，(-0.04，3.50)，(0,3.50)。于上视基准面绘制四条长度为5mm的基准轴，基准轴1角度为47.17°，基准轴2为水平轴(0°)，基准轴3为312.31°，基准轴4为垂直轴(90°)。将形成触手结构的旋转体做阵列(圆周)，具体包括：

a.阵列的特征为上述触手结构旋转体，阵列轴为基准轴2，分布角度为360°，实例数为8，等间距分布；

b.阵列的特征为上述触手结构旋转体，阵列轴为基准轴1，分布角度为360°，实例数为8，等间距分布；

c.阵列的特征为上述触手结构旋转体，阵列轴为基准轴3，分布角度为360°，实例数为8，等间距分布；

d.阵列的特征为上述触手结构旋转体，阵列轴为基准轴4，分布角度为360°，实例数为8，等间距分布。

实施例1

3D打印时，设置基层打印层数为4层，基层光照时间为35s，其它层光照时间为8s，光通量为375lm，打印12.5mm仿生混凝土粗骨料。取打印完成后的仿生混凝土粗骨料，利用分析纯酒精清洗、去除支撑，使用光源为405nm波长LED紫外无影灯，功率为200W，照射1h。取相同粒径石灰岩粗骨料，洗净、烘干。按1：2：6的质量比称取水、水泥、标准砂，充分搅拌后成型40mm*40mm*40mm立方试块，将骨料分别压入不同立方试块中心。养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上。养护28d后，3D打印仿生粗骨料与石灰岩粗骨料的单骨料砂浆试块平均抗压强度分别为67.50MPa、70.93Mpa；比强度分别为2.93×10⁴N·m/kg，3.00×10⁴N·m/kg。粒径为12.5mm的两种骨料的单骨料砂浆试件受压应力应变曲线如图5所示，与石灰岩粗骨料的单骨料砂浆试块表现出的纯脆性断裂相比，3D打印仿生粗骨料的单骨料砂浆试块表现为一定的柔性及延性。在外部水泥基材料破坏后，3D打印仿生粗骨料仍然对周围水泥基材料起到一定的连接、嵌挤、锁结作用，试块残余强度高于石灰岩粗骨料的单骨料砂浆试块。

实施例2

3D打印时，设置基层打印层数为3层，基层光照时间为30s，其它层光照时间为9s，光通量为400lm，打印4.75mm仿生混凝土粗骨料。取打印完成后的仿生混凝土粗骨料，利用分析纯酒精清洗、去除支撑，使用光源为405nm波长LED紫外无影灯，功率为200W，照射1h。取相同粒径石灰岩粗骨料，洗净、烘干。按1：2：6的质量比称取水、水泥、标准砂，充分搅拌后成型20mm*20mm*20mm立方试块，将骨料分别压入不同立方试块中心。养护温度为20±2℃，养护湿度90％以上。养护28d后，3D打印仿生粗骨料与石灰岩粗骨料的单骨料砂浆试块平均抗压强度分别为62.16MPa、68.45Mpa；比强度分别为2.60×10⁴N·m/kg，2.77×10⁴N·m/kg。粒径为4.75mm的两种骨料的单骨料砂浆试件受压应力应变曲线如图6所示，3D打印仿生粗骨料与石灰岩粗骨料的单骨料砂浆试块在极限应力处的应变分别为38.87与33.89，表现出了一定的柔性及延性。

Claims

1.一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料，其特征在于，所述仿生混凝土粗骨料是以光敏树脂作为原料，通过3D打印方法所得，且该粗骨料包括主体结构和位于主体结构表面的仿生凸起结构。

2.根据权利要求1所述的仿生混凝土粗骨料，其特征在于，所述主体结构为实心或者空心结构，表面光滑或者带有花纹沟结构，形状上为正球体或者椭球体。

3.根据权利要求1所述的仿生混凝土粗骨料，其特征在于，所述仿生凸起结构具有缩紧的颈部与凸出的头部倒钩结构，或者所述仿生凸起结构为弯曲的针棒状结构。

4.根据权利要求1所述的仿生混凝土粗骨料，其特征在于，所述仿生凸起结构为病毒、海胆或者苍耳的仿生结构。

5.根据权利要求1所述的仿生混凝土粗骨料，其特征在于，所述光敏树脂选自刚性光敏树脂、柔性光敏树脂、弹性光敏树脂、高精度光敏树脂、高硬度光敏树脂、高韧性光敏树脂或高精度光敏树脂。

6.权利要求1-5任一项所述的仿生混凝土粗骨料的制备方法，其特征在于，包括先利用三维设计软件设计所述结构的仿生混凝土粗骨料模型，然后以光敏树脂作为原料，利用数字光投影3D打印方法将所设计模型打印，经过清洗、拆模、紫外光照增强，即得。

7.根据权利要求6所述的仿生混凝土粗骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的仿生混凝土粗骨料的制备方法，其特征在于，3D打印的条件为：基层打印层数为3～5层，基层光照时间为25～40s，其它层光照时间为7～10s，光通量为300～500lm。

9.权利要求1-5任一项所述的仿生混凝土粗骨料在制备混凝土中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，包括以水泥作为胶凝材料，标准砂作为细骨料，加入水搅拌均匀后，将所述仿生混凝土粗骨料压入砂浆中心，养护，即得。