CN113122151B

CN113122151B - 一种渗透型3d打印水泥基材料界面增强剂及其应用

Info

Publication number: CN113122151B
Application number: CN202110378041.4A
Authority: CN
Inventors: 佘伟; 耿子凡; 张文华
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2041-04-08
Also published as: CN113122151A

Abstract

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，包括A组分和B组分，A组分为甲酸钙溶液；B组分由以下方法制得：室温下，将硅酸钠溶液与硅酸锂溶液混合；将乙二胺四乙酸二钠加入上述溶液中；将纳米二氧化硅溶胶加入上述溶液中，搅拌直至溶液澄清透明。本发明对界面强度具有优异的提升作用，在14 d养护龄期时即可将界面劈裂抗拉强度提升至两倍，视使用情况，处理后的界面强度可以达到甚至超过基体材料的强度，极大地改善了打印制品的整体性能；本发明提供的3D打印水泥基材料界面增强剂原料易得，制备简单，使用方便，可在较低用量下实现优异的界面增强效果，且对于外形复杂的打印制品各个方向的界面都适用。

Description

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用

技术领域

本发明属于3D打印建筑材料领域，具体涉及一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用。

背景技术

3D打印是当下建筑领域的一大研究热点，其中挤出式打印是将砂浆、混凝土等建筑材料调配成可打印的“膏体”，再利用3D打印机挤出到程序所指定的位置，从而逐层成型所需外形和结构的技术。该技术具有无模板、自动化等优势，在形状复杂的装饰部件和小型功能化建筑等领域已有成功的应用。挤出式3D打印对打印材料的流动性有较高要求，不仅需要材料在挤出后维持自身形状不流淌，也需要材料能够承载打印时上层的重量而不坍塌变形。这种几乎无流动性的水泥基材料，在层层堆积的过程中不可避免地会产生类似“冷缝”的层间界面，会显著削弱制品的强度、抗渗性等性能。因此，改善界面性能是提升3D打印制品整体性能十分重要的手段。

为改善3D打印制品的层间界面性能，除了优化打印参数和打印材料配方，使用界面剂是常见且有效的方法。目前多见报道的手段主要为涂敷聚合物或改性的净浆/砂浆作为额外粘结层，从而增加界面强度，包括矿物掺合料改性高强净浆、环氧树脂、可再分散乳胶粉及其改性砂浆等。这些界面剂在涂敷后形成一道粘结层，使原界面的粘结强度有所提升。然而，上述常见的涂敷型界面剂依然难以将界面强度提升至基体水平，且涂敷操作需要与打印交替进行，工艺较复杂，对打印设备要求高。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，该增强剂对设备要求低，使用简单，增强效果优异，可以将3D打印水泥基材料的界面强度提升至基体水平，提高打印制品整体性能。

技术方案：一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂，包括A组分和B组分，所述A组分为质量浓度8-12%的甲酸钙溶液；所述B组分由以下方法制得：室温下，将质量浓度38%-43%、模数为3.2-3.5的8-9份质量的硅酸钠溶液与质量浓度23%-28%、模数为4.5-4.8的57-58份质量的硅酸锂溶液混合，以400-500 rpm的速度搅拌均匀；将0.2-0.5份质量的乙二胺四乙酸二钠加入上述溶液中，继续以400-500 rpm的速度搅拌均匀并静置；将32-33份质量的纳米二氧化硅溶胶加入上述溶液中，继续以400-500 rpm的速度搅拌，直至溶液澄清透明。

优选的，上述硅酸钠溶液质量浓度为40%，模数为3.3。

优选的，上述硅酸锂溶液质量浓度为25%，模数为4.8。

上述纳米二氧化硅溶胶由以下方法制得：向质量浓度1%的乙酸溶液中滴加硅酸钠溶液，搅拌同时用酸度计测量其pH值，当溶液pH值为10.00±0.01时，即可制得所需的纳米二氧化硅溶胶。

上述渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂的应用，步骤为：当待处理的打印材料凝结后，在界面缝隙处滴加A组分2-3次，每次间隔4-6 h，A组分处理需在打印材料成型后的48 h内完成；A组分处理结束至少8-12 h后，进行B组分处理，在界面缝隙处滴加B组分2-3次，每次间隔4-6 h，B组分处理需在打印材料成型后的96 h内完成。

优选的，上述A、B组分的使用体积比例为1:1，每种组分的单次用量以滴加时可充分浸润界面缝隙为宜，平均1 m长的界面单次用量约4 mL。

有益效果：1）本发明提供的3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，对界面强度具有优异的提升作用，在14 d养护龄期时即可将界面劈裂抗拉强度提升至两倍，视使用情况，处理后的界面强度可以达到甚至超过基体材料的强度，极大地改善了打印制品的整体性能；2）本发明提供的3D打印水泥基材料界面增强剂原料易得，制备简单，使用方便，可在较低用量下实现优异的界面增强效果，且对于外形复杂的打印制品各个方向的界面都适用。

附图说明

图1 实施例1中试验组14天劈裂抗拉强度示意图；

图2 实施例1中试验组14天界面压入硬度示意图；

图3 实施例1中实验组14天界面孔隙率示意图；

图4 实施例2中试验组14天劈裂抗拉强度示意图；

图5 实施例3中试验组14天劈裂抗拉强度示意图；

图6 实施例4中试验组14天劈裂抗拉强度示意图；

图7 实施例5中试验组14天劈裂抗拉强度示意图。

具体实施方式

下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容作出的进一步非实质性改进和调整仍然属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，包括以下步骤：

甲酸钙：分析纯；

乙二胺四乙酸二钠：分析纯；

硅酸钠溶液：质量浓度40%，模数3.3；

硅酸锂溶液：质量浓度25%，模数4.8；

纳米二氧化硅溶胶：向质量浓度1%的乙酸溶液中滴加硅酸钠溶液，直至pH=10.00±0.01时制得。

1）室温下，用自来水将甲酸钙溶解在容器中，配制成质量浓度10%的甲酸钙溶液，作为A组分；

2）室温下，将8.9份质量的硅酸钠溶液与58份质量的硅酸锂溶液混合，以450 rpm的速度搅拌1.5 h；

3）将0.2份质量的乙二胺四乙酸二钠加入上述溶液中，继续以450 rpm的速度搅拌0.5 h；静置12 h；

4）将32.9份质量的纳米二氧化硅溶胶加入上述溶液中，继续以450 rpm的速度搅拌，直至溶液澄清透明，作为B组分；

5）当待处理的打印水泥净浆成型24 h后，在水平界面缝隙处滴加A组分3次，每次用量4 mL/m，每次间隔6 h，之后送入标准养护室养护；

6）当待处理的打印水泥净浆成型72 h后，在水平界面缝隙处滴加B组分3次，每次用量4 mL/m，每次间隔6 h，之后在标准养护室养护至14 d龄期。

实施例1提供了对水平打印界面的增强效果。其中，基体材料、界面处理前和处理后的14 d劈裂抗拉强度如图1所示，界面处理后强度相比处理前提升106%，且明显强于基体；界面处理前和处理后的压入硬度如图2所示，处理后硬度相比处理前提升39%；界面处理前和处理后的孔隙率如图3所示，处理后孔隙率相比处理前下降71%。

实施例2：

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，其原料配方和A、B组分的制备过程，即步骤1）-步骤4）同实施例1，后续步骤如下：

5）当待处理的打印水泥净浆成型24 h后，在竖直界面缝隙处滴加A组分2次，每次用量4 mL/m，每次间隔6 h，之后送入标准养护室养护；

6）当待处理的打印水泥净浆成型72 h后，在竖直界面缝隙处滴加B组分2次，每次用量4 mL/m，每次间隔6 h，之后在标准养护室养护至14 d龄期。

实施例2提供了对竖直打印界面在较低用量下的增强效果。其中，基体材料、界面处理前和处理后的14 d劈裂抗拉强度如图4所示，界面处理前相比处理后提升72%。

实施例3：

5）当待处理的打印水泥净浆成型8 h后，在竖直界面缝隙处滴加A组分2次，每次用量4 mL/m，每次间隔4 h，之后送入标准养护室养护；

6）当待处理的打印水泥净浆成型24 h后，在竖直界面缝隙处滴加B组分2次，每次用量4 mL/m，每次间隔4 h，之后在标准养护室养护至14 d龄期。

实施例3提供了较早时期处理对竖直打印界面在较低用量下的增强效果。其中，基体材料、界面处理前和处理后的14 d劈裂抗拉强度如图5所示，界面处理前相比处理后提升103%。

实施例4：

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，其原料配方，A、B组分的制备和应用过程，即步骤1）-步骤6）同实施例1，但在打印时增加层间间隔时间，其原始界面弱于实施例1。

实施例4提供了对水平打印界面在施工条件不良时的增强效果。基体材料、界面处理前和处理后的14 d劈裂抗拉强度如图6所示，界面处理前相比处理后提升73%。

实施例5：

一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂及其应用，其原料配方，A、B组分的制备和应用过程，即步骤1）-步骤6）同实施例1，但去除了基体材料中的活性矿物掺合料，使基体强度较低，其原始界面弱于实施例1。

实施例5提供了在使用低强度基体时对水平打印界面的增强效果。基体材料、界面处理前和处理后的14 d劈裂抗拉强度如图7所示，界面处理前相比处理后提升91%。

Claims

1.一种渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂，其特征在于，包括A组分和B组分，所述A组分为质量浓度8-12%的甲酸钙溶液；所述B组分由以下方法制得：室温下，将质量浓度38%-43%、模数为3.2-3.5的8-9份质量的硅酸钠溶液与质量浓度23%-28%、模数为4.5-4.8的57-58份质量的硅酸锂溶液混合，以400-500 rpm的速度搅拌均匀；将0.2-0.5份质量的乙二胺四乙酸二钠加入上述溶液中，继续以400-500 rpm的速度搅拌均匀并静置；将32-33份质量的纳米二氧化硅溶胶加入上述溶液中，继续以400-500 rpm的速度搅拌，直至溶液澄清透明，所述纳米二氧化硅溶胶由以下方法制得：向质量浓度1%的乙酸溶液中滴加硅酸钠溶液，搅拌同时用酸度计测量其pH值，当溶液pH值为10.00±0.01时，即可制得所需的纳米二氧化硅溶胶。

2.根据权利要求1所述渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂，其特征在于，所述硅酸钠溶液质量浓度为40%，模数为3.3。

3.根据权利要求1所述渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂，其特征在于，所述硅酸锂溶液质量浓度为25%，模数为4.8。

4.权利要求1-3任一所述渗透型3D打印水泥基材料界面增强剂的应用，其特征在于，步骤为：当待处理的打印材料凝结后，在界面缝隙处滴加A组分2-3次，每次间隔4-6 h，A组分处理需在打印材料成型后的48 h内完成；A组分处理结束至少8-12 h后，进行B组分处理，在界面缝隙处滴加B组分2-3次，每次间隔4-6 h，B组分处理需在打印材料成型后的96 h内完成。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，A、B组分的使用体积比例为1:1，每种组分的单次用量以滴加时可充分浸润界面缝隙为宜，平均1 m长的界面单次用量4 mL。