CN114656225B - 一种制备3d打印混凝土的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：1、打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋、多孔钢管，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；2、在3D打印混凝土轮廓间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。3、CO2养护；4、将3D打印混凝土表面进行湿养护，并在多孔钢管中注水养护；5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液；所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管。本发明一方面解决了3D打印混凝土内部缺水、养护不好的问题；另一方面解决了3D打印混凝土层间粘结强度较低的问题。

Description

一种制备3D打印混凝土的方法
技术领域
本发明涉及3D打印混凝土领域，具体涉及一种制备3D打印混凝土的方法。
背景技术
3D打印技术是20世纪80年代后期逐渐兴起的一项新兴制造技术，是一种自动化施工技术，又称为增材制造，被称为“第三次工业革命”的开始。其基本原理是：将三维物体模型输入计算机，采用切片软件将三维模型切片分层，将各层代码输入3D打印机，通过软件控制“油墨”逐层打印。近年来，3D打印被应用于各领域，如汽车、航天航空、建筑、生物医学、食品等。随着技术的不断完善，其在建筑行业的应用受到了广泛关注。相对于传统的混凝土施工工艺，3D打印混凝土具有独特优势。首先，无模板施工可以大大减少施工费用；其次，能高精度打印复杂形状，并最大程度节省材料；还有，由于3D打印是自动化施工，可节省人力和缩短施工时间。目前，建筑领域应用的3D打印技术主要有三种：D型工艺、轮廓工艺和混凝土打印工艺。轮廓打印和混凝土打印属于挤出成型，是建筑领域3D打印的主流技术。
虽然3D打印技术具有诸多优势，但3D打印在建筑领域的发展还受到诸多限制。层层打印是3D打印技术的主要特点，两个连续层间比整体浇筑施工的整体性差。层层堆积的施工方式使得打印构件不可避免地存在层间弱粘结，如不经处理，界面处的粘结性能会明显低于基体，从而影响打印构件的整体性和结构使用性能。弱粘结层间界面是影响3D打印构件在建筑行业推广应用面临的一个重大挑战。针对界面性能进行***的研究，综合提升3D打印构件界面性能，是3D打印建筑亟待解决的问题。
另外，为了提高3D混凝土的可塑性，3D打印混凝土中一方面加入了速凝剂或者快硬性胶凝材料，使其3D混凝土中早期形成较多的钙矾石水化产物，另一方面3D打印混凝土还掺入了高吸水率的材料：例如凹凸棒土、黏土、再生骨料、再生胶凝材料等，这些措施均会导致3D打印混凝土材料的内部缺水，不利于混凝土的耐久性，特别是3D打印混凝土具有较大的干燥收缩，容易开裂。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种制备3D打印混凝土的方法，一方面解决了3D打印混凝土内部缺水，养护不好的问题；另一方面解决了3D打印混凝土层间粘结强度较低的问题。
技术方案：本发明的制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤1、打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的10％～30％由多孔钢管取代；
步骤2、在3D打印混凝土轮廓中间浇筑轻质细骨料自流平混凝土；
步骤3、将3D打印混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护；
步骤4、将3D打印混凝土表面进行湿养护1～7d，并在钢管中注水养护1～14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入膨胀性泡沫混凝土；
步骤5、在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:1～1:3，溶液的质量浓度为30～50％。
进一步地，步骤1中，所述多孔钢管的管径为10-16～mm，多孔钢管中孔的孔径为0.5-1mm。
进一步地，步骤1中，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接。
进一步地，步骤2中，所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的掺量为0.5-2kg/m3。
进一步地，所述纤维管的管径为0.1-1mm，纤维管上孔径为0.005-0.01mm，纤维管长度在1～2cm之间。
进一步地，所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为再生骨料、沸石、陶粒、木屑等中的一种或几种，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
进一步地，步骤3中，控制养护室内CO2浓度为40～80％，湿度在50～60％，温度在20～50℃，养护时间7h～24h。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明通过在3D打印混凝土中设置钢筋和多孔钢管，一方面可以提高3D打印混凝土的整体性，另外，可以通过多孔钢管中的水为3D打印混凝土内部补水，再通过纤维管的水传输，可以起到为3D打印混凝土内部传递水分的作用，降低内部的自干燥，从而解决了3D打印混凝土内部缺水的问题。另外，纤维管的使用，也提高了3D打印混凝土的抗裂能力。
(2)通过在3D打印混凝土轮廓内灌入轻质细骨料自流平混凝土，增强外层3D打印混凝土的层间粘结力，同时细骨料自流平混凝土可以流入钢管中的孔中，增加了混凝土与钢管之间的粘结力；另外轻质细骨料自流平混凝土可以为3D打印混凝土提供保温性能。轻质细骨料混凝土不需要提前预湿可以加速其凝结，在多孔钢管为混凝土补水时，轻质骨料又可以作为水的储存器，为混凝土内部储存水，待内部缺水时，为混凝土内部补水。
(3)3D打印混凝土是由多层结构粘结而成，具有较大的比表面积，且本发明中设置了多孔钢管、多孔纤维管，利用CO2养护，可以将CO2传输到3D混凝土的各个位置，CO2与混凝土表面与内部的氢氧化钙反应，提高其密实度与强度，同时利用了CO2。
(4)在多孔钢管中灌入饱和石灰水溶液，不但可以为3D打印混凝土补水，还可以为3D混凝土补氢氧化钙，由于3D打印混凝土中含有较多的矿物掺合料，饱和石灰水溶液的补充，一方面可以提高整个3D打印混凝土的碱度，一方面可以加速矿物掺合料的反应，提高3D混凝土的强度。
(5)在3D混凝土表面喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠溶液，其目的为进一步填充、封闭混凝土表面的孔，硅酸钠溶液与纳米氧化铝可以与饱和石灰水溶液、混凝土表面因碳化养护形成的碳酸钙反应形成硅酸钙凝胶、水化铝硅酸盐、水化碳铝酸盐来填充3D打印混凝土表面的孔，减少其与外部的水交换，降低干燥收缩。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明由以下技术方案实现：一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的10％～30％由多孔钢管取代，所述钢管管径10-16mm，钢管中孔的孔径为0.5-1mm，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；
(2)在3D打印混凝土轮廓中间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。
(3)将3D打印混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护，控制养护室内CO2浓度为40～80％，湿度在50～60％，温度在20～50℃，养护时间7h～24h；
(4)将3D打印混凝土表面进行湿养护1d～7d，并在钢管中注水养护1d～14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入膨胀性泡沫混凝土；
(5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:1～1:3，溶液的质量浓度为30～50％；
所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的掺量为0.5～2kg/m3，所述纤维管的管径小于0.1-1mm，纤维管上孔径为0.005-0.01mm，纤维管长度在1～2cm之间。
所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为再生骨料、沸石、陶粒、木屑等中的一种或几种，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
另外：
所有实施例的3D打印混凝土的配合比为：PII 52.5水泥300kg、硫铝酸盐水泥100kg、凹凸棒土100kg、砂709kg、石1100kg、水160kg、减水剂5kg、聚丙烯酰胺3kg、多孔PVA纤维管1kg。
所有实施例的轻质细骨料自流平混凝土：42.5硫铝酸盐水泥300kg、矿粉180kg、轻质骨料800kg、水180kg、活性氧化镁10kg、多孔PVA纤维管1kg、减水剂6kg。
实施例一
一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的30％由多孔钢管取代，所述钢管管径为16mm，钢管中孔的孔径小于1mm，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；
(2)在3D打印混凝土轮廓间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。
(3)将3D混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护，控制养护室内CO2浓度为80％，湿度在60％，温度在50℃，养护时间24h；
(4)将3D混凝土表面进行湿养护7d，并在钢管中注水养护14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入大膨胀性泡沫混凝土，所述水灰比为0.5；
(5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:3，溶液的质量浓度为50％；
所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的管径为1mm，纤维管上孔径为0.01mm，纤维管长度为2cm。
所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为陶粒，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
实施例二
一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的10％由多孔钢管取代，所述钢管管径为12mm，钢管中孔的孔径小于1mm，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；
(2)在3D打印混凝土轮廓间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。
(3)将3D混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护，控制养护室内CO2浓度为40％，湿度在50％，温度在20℃，养护时间7h；
(4)将3D混凝土表面进行湿养护1d，并在钢管中注水养护1d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入膨胀性泡沫混凝土，所述水灰比为0.6；
(5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:1，溶液的质量浓度为30％；
所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的管径为0.1mm，纤维管上孔径为0.005mm，纤维管长度为1cm。
所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为再生骨料，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
实施例三
一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的20％由多孔钢管取代，所述钢管管径为16mm，钢管中孔的孔径小于1mm，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；
(2)在3D打印混凝土轮廓间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。
(3)将3D混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护，控制养护室内CO2浓度为50％，湿度在55％，温度在30℃，养护时间12h；
(4)将3D混凝土表面进行湿养护7d，并在钢管中注水养护14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入大水灰比膨胀性泡沫混凝土，所述水灰比为0.6；
(5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:2，溶液的质量浓度为40％；
所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的管径为0.5mm，纤维管上孔径为0.008mm，纤维管长度为1.5cm。
所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为沸石，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
实施例四
一种制备3D打印混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的30％由多孔钢管取代，所述钢管管径为10mm，钢管中孔的孔径小于1mm，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接；
(2)在3D打印混凝土轮廓间浇筑轻质细骨料自流平混凝土。
(3)将3D混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护，控制养护室内CO2浓度为50％，湿度在55％，温度在30℃，养护时间12h；
(4)将3D混凝土表面进行湿养护7d，并在钢管中注水养护14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入大水灰比膨胀性泡沫混凝土，所述水灰比为0.6；
(5)在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:2，溶液的质量浓度为40％；
所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管，所述纤维管的管径为1mm，纤维管上孔径为0.01mm，纤维管长度为1cm。
所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为木屑，骨料粒径小于5mm，骨料不需要提前预湿。
对比例
PII 52.5水泥300kg、硫铝酸盐水泥100kg、凹凸棒土100kg、砂710kg、石1100kg、水160kg、减水剂5kg、聚丙烯酰胺3kg。
表1为本发明性能考核指标，本指标按照对实施例1至实施例4制得的混凝土与对比例1制得的混凝土分别进行抗压强度、28d混凝土层间粘结强度(切割成标准尺寸无筋样品后进行测试)、干燥收缩测试，测试方法参照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》与GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》以及专利201911206075.4中的“3D打印混凝土层间粘结强度的测试方法”，导热系数按照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》的规定进行，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0003517979510000071
由表1可知，实施例的28d抗压强度和粘结强度相对对比例也明显较高，同时，干燥收缩性能较低，导热系数较低。

Claims (7)

1.一种制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、打印3D打印混凝土轮廓，然后在3D打印混凝土轮廓中间放置预先绑扎好的钢筋，所述钢筋中的10%~30%由多孔钢管取代；
步骤2、在3D打印混凝土轮廓中间浇筑轻质细骨料自流平混凝土；
步骤3、将3D打印混凝土样品置于密闭养护室内，进行CO2养护；
步骤4、将3D打印混凝土表面进行湿养护1~7d，并在钢管中注水养护1~14d，所述注水为饱和石灰水溶液，养护结束后放掉钢管中饱和石灰水溶液，并灌入膨胀性泡沫混凝土；
步骤5、在3D打印混凝土轮廓外表面，喷涂γ型纳米氧化铝与硅酸钠混合溶液，所述γ型纳米氧化铝与硅酸钠的比例为1:1~1:3，溶液的质量浓度为30~50%；
步骤2中，所述轻质细骨料自流平混凝土、3D打印混凝土中均掺有多孔纤维管。
2.根据权利要求1所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，步骤1中，所述多孔钢管的管径为10 -16mm，多孔钢管中孔的孔径为0.5 -1mm。
3.根据权利要求1或2所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，步骤1中，所述多孔钢管之间的连接为法兰或螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，所述纤维管的掺量为0.5-2kg/m3。
5.根据权利要求4所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，所述纤维管的管径为0.1-1mm，纤维管上孔径为0.005-0.01mm，纤维管长度在1~2cm之间。
6.根据权利要求1所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，所述轻质细骨料自流平混凝土用骨料为再生骨料、沸石、陶粒、木屑中的一种或几种，骨料粒径小于5mm。
7.根据权利要求1所述的制备3D打印混凝土的方法，其特征在于，步骤3中，控制养护室内CO2浓度为40~80%，湿度在50~60%，温度在20~50℃，养护时间7h~24h。
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