CN111377695A - 一种用于3d打印的建筑材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的建筑材料，涉及建筑材料领域，包括：水泥20～40％，砂石40‑60％，石英粉1～8％，外加剂0.01～0.2％，硅灰2～8％，复合稳定剂0.01～1.5％，水10～20％，减水剂0.01～0.16％，纤维0.1～1.2％，缓凝剂0.1～0.8％。本发明还涉及一种制备方法，包括：混合水泥、砂石、石英粉、硅灰、缓凝剂和纤维得到混合物料A；混合减水剂和水得到物料B；混合A和B，得到3D打印材料。本发明实施例可提高可打印建筑材料的和易性，在使用方法限定的各项参数范围内打印所制备的建筑材料，可保证打印过程的顺利以及3D打印材料的结构稳定性。

Description

一种用于3D打印的建筑材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料制备领域，尤其涉及一种用于3D打印的建筑材料及其制备方法。
背景技术
3D打印是近年来发展起来的一种高新技术，属于增材制造技术的类别，已在机械制造等行业取得很大成功。改革开放以来，我国建筑行业实现了巨大进步，将3D打印技术与建筑行业相结合，可大大节约各项成本。建筑3D打印技术的实现离不开材料，材料技术的发展是实现3D打印技术的根本。
建筑3D打印材料是在传统建筑原材料的基础上，对混凝土材料的改进与升级。因此，依据建筑材料的使用性、施工性、经济型原则，通过对以水泥、矿物掺合料及固废粉体等为主的胶凝材料体系的改性、优化，研制开发出满足建筑3D打印的建筑材料是当前3D打印技术在建筑工程施工中应用的关键。
目前，用于3D打印的建筑材料很少，且3D打印建筑材料的使用需与3D打印机的工作参数相协调。用于3D打印的建筑材料应具备以下三个特点：(1)材料可以顺利地从打印机喷头中喷出，即保证可打印性；(2)材料可连续打印，层层叠加，即具有较好的粘聚性；(3)材料具有快速凝固的特性，不出现坍塌现象。目前混凝土类打印材料存在的主要问题是抗拉性能较差，抗裂性能差，构件易脆性破坏。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种具备优异抗拉性能和抗裂性能的3D打印建筑材料，使得打印出的构件不易发生脆性破坏。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是一种具备优异抗拉性能和抗裂性能的3D打印建筑材料，使得打印出的构件不易发生脆性破坏。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于3D打印的建筑材料，包括以下重量比的组分：
水泥20～40％，砂石40-60％，石英粉1～8％，外加剂0.01～0.2％，硅灰2～8％，复合稳定剂0.01～1.5％，水10～20％，减水剂0.01～0.16％，纤维0.1～1.2％，缓凝剂0.1～0.8％。
本发明还提供了一种用于3D打印的建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
S100、按重量比将水泥、砂石、石英粉、硅灰、缓凝剂和纤维加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A；
S200、将减水剂和水混合得到物料B；
S300、将物料A和物料B充分混合搅拌均匀，即得到所述建筑材料。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明的实施例将原材料分两次加入，首次将粉体材料均匀拌合，再将纤维加入搅拌，减少材料的结团现象；其后，水与减水剂也分两次加入，提高可打印建筑材料的和易性。在使用方法限定的各项参数范围内打印所制备的建筑材料，可保证打印过程的顺利以及3D打印材料的结构稳定性。
以下将对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
具体实施方式
以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在第一方面中，本发明提供了一种3D打印建筑材料，包括以下重量比的组分：
水泥20～40％，砂石40-60％，石英粉1～8％，外加剂0.01～0.2％，硅灰2～8％，复合稳定剂0.01～1.5％，水10～20％，减水剂0.01～0.16％，纤维0.1～1.2％，缓凝剂0.1～0.8％，所述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的一种或其组合，所述纤维为玄武岩纤维或有机纤维中的一种或其组合。
在第二方面中，本发明提供了一种用于3D打印的建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
S100、按重量比将水泥、砂石、石英粉、硅灰、缓凝剂和纤维加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A；
S200、将减水剂和水混合得到物料B；
S300、将物料A和物料B充分混合搅拌均匀，即得到所述建筑材料。
在一种具体的实施方式中，硅灰或/和石英粉能够增大胶凝材料的粘度，降低材料流动度，使其具有一定的流动性的同时还在打印后具有足够的强度；根据硅灰或石英粉的粒径分布，其还能取代部分水泥，降低粉料的孔隙率，提高材料的密实度和强度。
在一种具体的实施方式中，砂石为级配良好的砂石，颗粒圆润，不仅能保证级配要求，而且能保证打印过程顺利进行。
在一种具体的实施方式中，减水剂加入混凝土拌合物后对水泥颗粒有分散作用，能减少单位用水量，改善拌合物的流动性。
在一种具体的实施方式中，复合稳定剂从材料的微观结构上改善混凝土材料的性能。其中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，进而支撑后续混凝土建筑层的连续打印。
在一种具体的实施方式中，外加剂的掺入可提高材料密实度，克服材料的干燥收缩，防止开裂渗透，达到抗裂，防渗、防水的目的。
在一种具体的实施方式中，混合掺入的有机纤维和玄武岩纤维一方面有效抑制了因表面水分蒸发而产生的收缩、开裂等现象，另一方面大大提高了混凝土材料的力学强度尤其是延性。
实施例1
提供了一种用于3D打印的建筑材料，按重量百分比计，包括以下原材料：
强度等级不小于42.5的硫铝酸盐水泥32.7％，砂石46.1％，石英粉3.5％，外加剂0.1％，硅灰3.5％，复合稳定剂0.6％，水12.9％，减水剂0.1％，纤维0.4％，缓凝剂0.2％。
本实施例中，硫铝酸盐水泥为42.5强度等级。
本实施例中，硅灰比表面积为17000m2/kg，SiO2为92.5％，活性指数为114。
本实施例中，石英粉比表面积为350m2/kg，SiO2为99.5％。
本实施例中，砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为0-3mm。
本实施例中，减水剂固含量为20～40％，减水率为35～50％。
本实施例中，有机纤维的长度为6mm，直径15.1μm，密度1.29g/cm3，抗拉强度1830MPa，符合GB/T21120-2007标准的技术要求。
本实施例中，玄武岩纤维的长度为9mm，直径17.4μm，抗拉强度2180MPa，符合GB/T25045-2010标准的技术要求。
本实施例将配方量的硫铝酸盐水泥、砂石、硅灰、石英粉、缓凝剂以及纳米粘土、外加剂、纤维加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A；将配方量的减水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混合搅拌均匀，即得到所述的用于3D打印的建筑材料。将制得的材料送至3D打印机中，开始打印建筑层。
实施例2
提供了一种用于3D打印的建筑材料，按重量百分比计包括以下原材料：
52.5级普通硅酸盐水泥25.1％，强度等级不小于42.5的硫铝酸盐水泥6.3％，砂石47.1％，石英粉3.1％，外加剂0.1％，硅灰4.7％，黏土0.4％，水12.7％，减水剂0.2％，纤维0.4％。
本实施例中，硅酸盐水泥为52.5强度等级，硫铝酸盐水泥为42.5强度等级。
本实施例中，硅灰比表面积为17000m2/kg，SiO2为92.5％，活性指数为114。
本实施例中，石英粉比表面积为350m2/kg，SiO2为99.5％。
本实施例中，砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为1～3mm。
本实施例中，减水剂固含量为20～40％，减水率为35～50％。
本实施例中，有机纤维的长度为6mm，直径15.1μm，密度1.29g/cm3，抗拉强度1830MPa，符合GB/T21120-2007标准的技术要求。
本实施例中，玄武岩纤维的长度为9mm，直径17.4μm，抗拉强度2180MPa，符合GB/T25045-2010标准的技术要求。
实施例3：
提供了一种用于3D打印的建筑材料，按重量百分比计包括以下原材料：
52.5级普通硅酸盐水泥26.7％，强度等级不小于42.5硫铝酸盐水泥4.7％，砂石47.1％，石英粉3.1％，外加剂0.1％，硅灰4.7％，黏土0.4％，水12.7％，减水剂0.2％，纤维0.4％。
本实施例中，硅酸盐水泥为52.5强度等级，硫铝酸盐水泥为42.5强度等级。
本实施例中，硅灰比表面积为17000m2/kg，SiO2为92.5％，活性指数为114。
本实施例中，石英粉比表面积为350m2/kg，SiO2为99.5％。
本实施例中，砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为0～3mm；
本实施例中，减水剂固含量为20～40％，减水率为35～50％；
本实施例中，有机纤维的长度为6mm，直径15.1μm，密度1.29g/cm3，抗拉强度1830MPa，符合GB/T21120-2007标准的技术要求。
本实施例中，玄武岩纤维的长度为9mm，直径17.4μm，抗拉强度2180MPa，符合GB/T25045-2010标准的技术要求。
实施例4：
提供了一种用于3D打印的建筑材料，按重量百分比计包括以下原材料：
52.5级普通硅酸盐水泥28.2％，强度等级不小于42.5的硫铝酸盐水泥3.1％，砂石47.1％，石英粉3.1％，外加剂0.1％，硅灰4.7％，黏土0.4％，水12.7％，减水剂0.2％，纤维0.4％。
本实施例中，硅酸盐水泥为52.5强度等级，硫铝酸盐水泥为42.5强度等级。
本实施例中，硅灰比表面积为17000m2/kg，SiO2为92.5％，活性指数为114。
本实施例中，石英粉比表面积为350m2/kg，SiO2为99.5％。
本实施例中，砂石为级配良好的砂石，砂石的粒径范围为0～3mm。
本实施例中，减水剂固含量为20～40％，减水率为35～50％。
本实施例中，有机纤维的长度为6mm，直径15.1μm，密度1.29g/cm3，抗拉强度1830MPa，符合GB/T21120-2007标准的技术要求。
本实施例中，玄武岩纤维的长度为9mm，直径17.4μm，抗拉强度2180MPa，符合GB/T25045-2010标准的技术要求。
以上实施例1-4相关性能的检测标准与方法为：参照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)对本实施例材料进行凝结时间测试，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对本实施例材料进行抗压强度测试；参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对本实施例材料进行抗弯强度测试；参照国家标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB_T2419-2005)测试本实施例材料的流动性；参照测试规范GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》进行收缩测试。
对实施例1-4制得的用于3D打印的建筑材料进行性能检测及膨胀收缩性能测试结果如表1、表2所示：
表1用于3D打印的高性能建筑材料性能检测表
Figure BDA0001926818750000071
从上表中看到实施例1的初凝时间和终凝时间最短，从抗压强度来看，实施例2的抗压强度值最高；从抗折强度来看，实施例2的抗折强度值最高；实施例1-实施例4的流动值均在200-220mm。
表2用于3D打印的高性能建筑材料膨胀收缩性能
Figure BDA0001926818750000072
从上表中看到实施例1制备得到的用于3D打印的高性能建筑材料的3d、7d、14d、28d和56d的收缩率最小。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于3D打印的建筑材料，包括以下重量比的组分：
水泥20～40％，砂石40-60％，石英粉1～8％，外加剂0.01～0.2％，硅灰2～8％，复合稳定剂0.01～1.5％，水10～20％，减水剂0.01～0.16％，纤维0.1～1.2％，缓凝剂0.1～0.8％。
2.如权利要求1所述的材料，其中，优选的，所述水泥为硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或其组合。
3.如权利要求1所述的材料，其中，，所述纤维为机纤维或玄武岩纤维中的一种或其组合。
4.如权利要求1所述的材料，其中，所述硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥标号均为42.5及以上。
5.如权利要求1所述的材料，其中，所述硅灰比表面积为14000～19000m2/kg，活性指数110～119。
6.如权利要求1所述的材料，其中，所述石英粉比表面积为300～550m2/kg，密度为2.35～3.05m3/kg，所述砂石粒径范围为1～3mm。
7.如权利要求1所述的材料，其中，所述缓凝剂为柠檬酸、酒石酸、葡萄糖酸钠、硼砂中的两种；所述外加剂为氧化钙类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂中的其中一种；所述复合体积稳定剂为高分子聚合物、纤维素醚触变剂等材料中的一种或几种的组合。
8.如权利要求1所述的材料，其中，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为30～40％，减水率为35～50％，掺量为胶凝材料总量的0.4％～2.0％。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的用于3D打印的建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
S100、按重量比将水泥、砂石、石英粉、硅灰、缓凝剂和纤维加入搅拌器中进行预拌得到混合物料A；
S200、将减水剂和水混合得到物料B；
S300、将物料A和物料B充分混合搅拌均匀，即得到所述用于3D打印的建筑材料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其中，按重量比，水泥20～40％，砂石40-60％，石英粉1～8％，外加剂0.01～0.2％，硅灰2～8％，复合体积稳定剂0.01～1.5％，水10～20％，减水剂0.01～0.16％，纤维0.1～1.2％，缓凝剂0.1～0.8％，纤维为玄武岩纤维。
11.如权利要求9所述的制备方法，其中，所述玄武岩纤维的长度为8-10mm，直径为16-18μm。
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