CN111704424A - 一种用于3d打印的钢纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法，该材料按重量份数计，其含量和组成分别为：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.024～0.048份；增稠剂0.010～0.018份；消泡剂0.012份；水3.3～3.6份；短直钢纤维；其中，所述钢纤维的体积占所述材料总体积的0.5％～5％，所采用的打印机喷嘴为20‑40mm。本发明根据水泥基材料的可打印性能及打印喷嘴直径，掺入相应长径比和体积含量的短直钢纤维，使3D打印混凝土具有良好的可打印性能、力学性能，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及到3D打印建筑材料领域，具体涉及一种可用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
由于打印界面的存在，3D打印混凝土材料的各项异性和脆性更为显著，且在3D打印构件中配置钢筋尚还难以实现，因此改善3D打印混凝土的材料性能，将对3D打印技术在建筑业的推广应用起到积极作用。
在混凝土中掺入钢纤维，能够明显提高混凝土的延性、韧性、抗拉与抗剪性能以及抗冲击性能，已被广泛应用于工业建筑、机场和高速公路、桥梁和隧道等工程结构。然而由于3D打印工艺的条件限制，钢纤维类型、尺寸、含量以及制备方法都需要与3D打印工艺、材料可打印性等相匹配，目前鲜有深入的相关研究和工程应用。
本发明通过考虑打印工艺条件、控制初凝时间和流动度的方法，制备出一种用于3D打印的钢纤维混凝土，其有良好的可打印性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的问题，提供一种用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法。根据水泥基材料的可打印性能及打印喷嘴直径，掺入相应长径比和体积含量的短直钢纤维，使3D打印混凝土具有较高的抗拉、抗弯、抗剪强度及断裂韧性，能够推动3D打印混凝土的工程实践应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥12份；
调凝剂0.6份；
砂12份；
减水剂0.024～0.048份；
增稠剂0.010～0.018份；
消泡剂0.012份；
水3.6份；
钢纤维；
其中：
所述的钢纤维的体积占所述混凝土的0.5％～5％。
作为优选，所述的普通硅酸盐水泥的型号为P.O.42.5R。
作为优选，所述的调凝剂为快硬硫铝酸盐水泥，成分包括赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏。
作为优选，所述的砂为中国ISO标准砂，最大粒径为2mm。
作为优选，所述的减水剂为粉末状保坍型聚羧酸减水剂，减水率大于30％。
作为优选，所述的增稠剂为10万粘度的羟丙基甲基纤维素醚。
作为优选，所述的消泡剂为水泥砂浆专用的粉状消泡剂，成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑，PH值为7–8。
作为优选，所述的钢纤维的长度为3～5mm，直径为0.05-0.125mm，长径比为40-60，抗拉强度为1GPa，弹性模量为200GPa。
一种用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将原料分成三组：第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50％钢纤维；第二组为水2.0份、50％减水剂、50％增稠剂、消泡剂0.012份和30％钢纤维；第三组为为水1.6份、50％减水剂、50％增稠剂和20％钢纤维；
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内，将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min，至完全混合均匀；
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净容器内混合搅拌至均匀；
(4)将搅拌均匀的第二组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌2min；
(5)将搅拌均匀的第三组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌4min后，即得到所述的用于3D的钢纤维混凝土。
作为优选，所述钢纤维采用直线型钢纤维，其长度和直径按照以下方式确定：
(1)设打印机泵送管道直径为d1、打印喷嘴直径为d2，定义打印名义直径为d，则d＝min(d1,d2)；
(2)设钢纤维的长度为Lf、钢纤维的体积含量为Vf，其满足以下条件：若体积含量5.0％≥Vf≥2.0％，则d/Lf≥6；若体积含量2.0％≥Vf，则d/Lf≥4；
(3)设钢纤维的直径为df，其满足以下条件：若体积含量5.0％≥Vf≥2.0％，则Lf/df≥50；若体积含量2.0％≥Vf，则Lf/df≥30。
作为优选，所述的砂最大粒径ds，应满足d/ds≥8。
作为优选，所述的制备方法的可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照我国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照我国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施；二者具体按以下标准判定其可打印性：
(1)若钢纤维体积含量为5.0％≥Vf≥3.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足175-185mm时，满足材料可打印性的要求；
(2)若钢纤维体积含量为3.0％≥Vf≥2.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足170–185mm时，满足材料可打印性的要求；
(3)若钢纤维体积含量为2.0％≥Vf≥1.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足160–175mm时，满足材料可打印性的要求；
(4)若钢纤维体积含量为1.0％≥Vf，当初凝时间满足40-60min，流动度满足155–170mm时，满足材料可打印性的要求。
本发明的有益效果：
1)可以根据3D打印设备选择钢纤维的掺量和尺寸。在掺入相应的不同长径比和体积含量的短直钢纤维情况下，通过调整外加剂的掺量满足混凝土的可打印性能，使其在泵送过程中具有良好的流动性，打印时具有良好的稳定性；
2)将钢纤维掺入到3D打印混凝土中，一方面能够改善3D打印混凝土界面之间的力学性能，另一方面能够提高材料的抗裂性能和韧性。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作出进一步地详细阐述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行的实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.024份；增稠剂0.018份；消泡剂0.012份；水3.6份；钢纤维的掺量为0.5％；3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示：
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将原料分成三组：第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50％钢纤维；第二组为水2.0份、50％减水剂、50％增稠剂、消泡剂0.012份和30％钢纤维；第三组为为水1.6份、50％减水剂、50％增稠剂和20％钢纤维。
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内，将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min，至完全混合均匀；
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净的容器内混合搅拌至均匀。
(4)将搅拌均匀的第二组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌2min。
(5)将搅拌均匀的第三组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌4min后，即得到所述的可用于3D打印的钢纤维混凝土。
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土，其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，初凝时间需满足40-60min，流动度需满足155–170mm。测试结果如表1所示。
实施例2
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.030份；增稠剂0.015份；消泡剂0.012份；水3.3份；钢纤维的掺量为1.5％；3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示：
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土，其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，初凝时间需满足40-60min，流动度需满足160-175mm。测试结果如表1所示。
实施例3
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.036份；增稠剂0.015份；消泡剂0.012份；水3.3份；钢纤维的掺量为2.5％；3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示：
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土，其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，初凝时间需满足40-60min，流动度需满足170-185mm。测试结果如表1所示。
实施例4
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.042份；增稠剂0.012份；消泡剂0.012份；水3.3份；钢纤维的掺量为4％；3D打印机的喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示：
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土，其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，初凝时间需满足40-60min，流动度需满足175-185mm。测试结果如表1所示。
实施例5
一种用于3D打印的钢纤维混凝土，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥12份；调凝剂0.6份；砂12份；减水剂0.048份；增稠剂0.010份；消泡剂0.012份；水3.3份；钢纤维的掺量为5％；3D打印机的喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示：
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土，其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，初凝时间需满足40-60min，流动度需满足175-185mm。测试结果如表1所示。
关于混凝土的可打印性的效果，通过采用3D打印机连续打印2m长的构件，上述材料在打印过程中均匀挤出未发生破损，构件的完整度良好。采用3D打印机连续打印2m长、120mm高的构件，单条打印厚度为13-25mm，上述五种材料在叠加过程中均匀堆积未发生破损，构件整体稳定性良好且成型效果好。
表1可打印性判定
| 序号 | 凝结时间 | 流动度 | 可打印性 |
| 实施例1 | 43min | 161mm | 挤出均匀流畅，构件整体稳定性好 |
| 实施例2 | 49min | 172mm | 挤出均匀流畅，构件整体稳定性好 |
| 实施例3 | 46min | 171mm | 挤出均匀流畅，构件整体稳定性好 |
| 实施例4 | 53min | 182mm | 挤出均匀流畅，构件整体稳定性好 |
| 实施例5 | 52min | 179mm | 挤出均匀流畅，构件整体稳定性好 |
Claims (8)
1.一种用于3D打印的钢纤维混凝土，其特征在于：按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥12份；
调凝剂0.6份；
砂12份；
减水剂0.024～0.048份；
增稠剂0.010～0.018份；
消泡剂0.012份；
水3.6份；
钢纤维；
其中：
所述的钢纤维的体积占所述混凝土的0.5％～5％。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土，其特征在于：所述的普通硅酸盐水泥的型号为P.O.42.5R，所述的砂为中国ISO标准砂，最大粒径为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土，其特征在于：所述的调凝剂为快硬硫铝酸盐水泥，成分包括赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏，所述的减水剂为粉末状保坍型聚羧酸减水剂，减水率大于30％，所述的增稠剂为10万粘度的羟丙基甲基纤维素醚，所述的消泡剂为水泥砂浆专用的粉状消泡剂，成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑，PH值为7–8。
4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土，其特征在于：所述的钢纤维的长度为3～5mm，直径为0.05-0.125mm，长径比为40-60，抗拉强度为1GPa，弹性模量为200GPa。
5.一种权利要求1、2、3或4所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将原料分成三组：第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50％钢纤维；第二组为水2.0份、50％减水剂、50％增稠剂、消泡剂0.012份和30％钢纤维；第三组为为水1.6份、50％减水剂、50％增稠剂和20％钢纤维；
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内，将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min，至完全混合均匀；
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净容器内混合搅拌至均匀；
(4)将搅拌均匀的第二组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌2min；
(5)将搅拌均匀的第三组溶液，缓缓加入到工作状态下的搅拌机内，然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机，搅拌4min后，即得到所述的用于3D的钢纤维混凝土。
6.根据权利要求5所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于：所述钢纤维采用直线型钢纤维，其长度和直径按照以下方式确定：
(1)设打印机泵送管道直径为d1、打印喷嘴直径为d2，定义打印名义直径为d，则d＝min(d1,d2)；
(2)设钢纤维的长度为Lf、钢纤维的体积含量为Vf，其满足以下条件：若体积含量5.0％≥Vf≥2.0％，则d/Lf≥6；若体积含量2.0％≥Vf，则d/Lf≥4；
(3)设钢纤维的直径为df，其满足以下条件：若体积含量5.0％≥Vf≥2.0％，则Lf/df≥50；若体积含量2.0％≥Vf，则Lf/df≥30。
7.根据权利要求6所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于：所述的砂最大粒径ds，应满足d/ds≥8。
8.根据权利要求5所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照我国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照我国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施；二者具体按以下标准判定其可打印性：
(1)若钢纤维体积含量为5.0％≥Vf≥3.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足175-185mm时，满足材料可打印性的要求；
(2)若钢纤维体积含量为3.0％≥Vf≥2.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足170–185mm时，满足材料可打印性的要求；
(3)若钢纤维体积含量为2.0％≥Vf≥1.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足160–175mm时，满足材料可打印性的要求；
(4)若钢纤维体积含量为1.0％≥Vf，当初凝时间满足40-60min，流动度满足155–170mm时，满足材料可打印性的要求。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112408917A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-02-26 | 中铁工程装备集团有限公司 | 混凝土管片的制备方法 |
| CN113500188A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-15 | 南京工业大学 | 一种适用3d打印的三维金属纤维-水泥基复合材料及制备方法 |
Citations (2)
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2020
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