CN115073110B - 一种3d打印干混砂浆组合物、3d打印干混砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents

一种3d打印干混砂浆组合物、3d打印干混砂浆及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印干混砂浆组合物、3D打印干混砂浆及其制备方法和应用，该砂浆组合物中含有各自独立保存或者两者以上混合保存的以下组分：硅酸盐水泥、快硬水泥、硅灰、硬石膏、石英砂、可再分散乳胶粉、润湿剂、亚甲基二萘磺酸二钠、减水剂、触变剂、1,3‑β葡萄糖、缓凝剂、早强剂、聚丙烯纤维。本发明提供的3D打印干混砂浆具有易润湿、塑化速度快的特点，且搅拌设备启停过程中砂浆流动度保持稳定，适用于双混泵搅拌时间短、连续搅拌泵送的工况；同时，湿浆易泵送易挤出，触变性适宜，挤出成型性良好，凝结时间可控；硬化砂浆密实度高、早强高强、打印料层层间粘结牢、干缩率低。

Description

一种3D打印干混砂浆组合物、3D打印干混砂浆及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印干混砂浆组合物、3D打印干混砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
3D打印技术，是以制造对象模型的三维数据为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印以增加材料从而生成3D实体的技术，因而又被称为“增材制造技术”。
3D打印技术主要包括3D建模、3D分割、打印喷涂和后期处理等四个环节。与传统材料加工方法截然相反，利用三维建模后逐层打印的3D打印技术无需事先制备和安装模具，不必在制造过程中处理大量材料，也不必使用复杂的锻造工艺。因此，3D打印技术有利于优化生产结构，实现节能减排。建筑行业一直是高排放、高能耗、高污染，且人工成本消耗严重的行业，将3D打印技术应用于建筑领域能很好的解决这些问题。
建筑3D打印技术是一种以建筑构件的三维数据模型为基础，通过打印机喷嘴进行混凝土(砂浆)挤出、堆积、逐层打印，进而生成三维实体的快速成型技术。
打印材料是建筑3D打印技术的核心。打印材料作为工程结构材料，不仅需要一定的力学性能和耐久性，其湿砂浆必须具备适当的施工性能以满足制浆供料***及打印***的工作要求，同时须满足无模板施工的工法要求。
当前国内建筑打印***中，绝大部分打印材料的搅拌设备和泵送设备往往是两***立的机械，即打印过程中的材料不是连续搅拌泵送的，而是需提前将打印砂浆搅拌好，制成湿浆备用，打印时根据前端打印头的需求，通过泵送设备将湿砂浆泵送至打印挤出头进行挤出打印。
这种间歇式的供料方式效率低下，且经常因为一次制浆量过多或打印过程发生机械故障中断而造成材料浪费。而在连续快速搅拌工况下，砂浆的搅拌泵送与前端需求即时联动，制浆迅速，减少湿浆的待打印时间，保证每次出挤出头的砂浆性能一致，是非常适用打印作业的工艺制度。
双混泵是集砂浆快速搅拌与长距离泵送两功能于一体、能够实现打印砂浆按需制浆送浆的新型供料设备。打印挤出头需要打印材料时，反馈电信号至双混泵，双混泵可即时响应，快速搅拌制浆并迅速泵送至需料点，既避免打印机“停工待料”，又避免了大量备料。
双混泵高效的工作能力是由其独特的设备结构所赋予的。双混泵具有独一无二的“水平+垂直”双搅拌***。双混泵收到供料指令后，拌合水和干粉砂浆分别经自动计量后，先后被送到“水平搅拌腔”，物料按照浸泡式搅拌原理进行初步搅拌；随即湿砂浆被挤到“垂直搅拌腔”进行第二段搅拌，搅拌好的湿砂浆进入螺杆泵，经泵管被送到挤出头。
由于双混泵搅拌腔的容积很小，约为传统搅拌机的1/20左右，其搅拌时间极短，干粉砂浆与拌合水开始接触搅拌到搅拌结束湿砂浆进入螺杆泵仅历时10-20s。
在这一工况下，打印砂浆干粉必须极易被水润湿，且能快速塑化，在进入螺杆泵之前须被搅拌均匀，即双混泵对打印砂浆提出了更高的施工性要求。
然而，目前国内绝大部分打印材料搅拌时间长，尤其是拌合用水量小的打印砂浆，其搅拌时间达到120s以上。例如，CN110028299A公开了一种3D打印白色水泥基材料，该打印材料需要搅拌140s，无法匹配双混泵进行打印。
另外，基于双混泵“即混即送即打印”的工作特点，要求“出挤出头”的打印砂浆的屈服应力具有较高初始值和增长速率，即打印砂浆须具有适宜的触变性和更优的可建造性。综上，有必要开发一种适用于双混泵连续快速搅拌工况的3D打印干混砂浆。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的3D打印干混砂浆的润湿速度慢、搅拌时间长、屈服应力增长慢的缺陷。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种3D打印干混砂浆组合物，该砂浆组合物中含有各自独立保存或者两者以上混合保存的以下组分：硅酸盐水泥、快硬水泥、硅灰、硬石膏、石英砂、可再分散乳胶粉、润湿剂、亚甲基二萘磺酸二钠、减水剂、触变剂、1,3-β葡萄糖、缓凝剂、早强剂、聚丙烯纤维；
相对于100重量份的所述硅酸盐水泥，所述快硬水泥的含量为10-20重量份，所述硅灰的含量为5-10重量份，所述硬石膏的含量为5-12重量份，所述石英砂的含量为120-200重量份，所述可再分散乳胶粉的含量为0.5-2重量份，所述润湿剂的含量为0.5-1重量份，所述亚甲基二萘磺酸二钠的含量为1-2重量份，所述减水剂的含量为0.2-0.5重量份，所述触变剂的含量为0.2-0.8重量份，所述1,3-β葡萄糖的含量为0.5-2重量份，所述缓凝剂的含量为0.3-1重量份，所述早强剂的含量为0.03-0.1重量份，所述聚丙烯纤维的含量为0.1-0.3重量份；
所述硅酸盐水泥为P·I 52.5MPa或P·II 52.5MPa的硅酸盐水泥，比表面积≥380m2/kg；所述快硬水泥为强度等级为42.5MPa及以上的快硬硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m2/kg；所述润湿剂为非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂。
本发明第二方面提供一种制备3D打印干混砂浆的方法，该方法包括：将前述第一方面所述的砂浆组合物中的各组分进行混合。
本发明第三方面提供由前述第二方面所述的方法制备得到的3D打印干混砂浆。
本发明第四方面提供前述第三方面所述的3D打印干混砂浆在建筑3D打印中的应用。
与现存3D打印干混砂浆技术相比，本发明提供的3D打印干混砂浆至少具有如下优势：
(1)本发明提供的3D打印干混砂浆具有易润湿、塑化速度快的特点，塑化时间为10-20s，且搅拌设备启停过程中砂浆流动度保持稳定，砂浆的流动度波动为185-195mm，对挤出料条宽度无明显影响，适用于双混泵搅拌时间短、连续搅拌泵送的工况；
(2)本发明提供的3D打印干混砂浆制备得到的打印砂浆湿浆易泵送易挤出，触变性适宜，挤出成型性良好，凝结时间可控，具有良好支撑性，能够实现连续打印无需中断；
(3)本发明提供的3D打印干混砂浆的硬化砂浆密实度高、早强高强、打印料层层间粘结牢、干缩率低、不开裂。
本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明提供的实施例1所制备的打印砂浆打印得到的构件；
图2为本发明提供的实施例2所制备的打印砂浆打印得到的构件。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
需要说明的是，在本发明的各方面中，针对各方面中的相同的组分，本发明仅在其中一方面中描述一次而不重复进行描述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种3D打印干混砂浆组合物，该砂浆组合物中含有各自独立保存或者两者以上混合保存的以下组分：硅酸盐水泥、快硬水泥、硅灰、硬石膏、石英砂、可再分散乳胶粉、润湿剂、亚甲基二萘磺酸二钠(NNO)、减水剂、触变剂、1,3-β葡萄糖、缓凝剂、早强剂、聚丙烯纤维；
相对于100重量份的所述硅酸盐水泥，所述快硬水泥的含量为10-20重量份，所述硅灰的含量为5-10重量份，所述硬石膏的含量为5-12重量份，所述石英砂的含量为120-200重量份，所述可再分散乳胶粉的含量为0.5-2重量份，所述润湿剂的含量为0.5-1重量份，所述亚甲基二萘磺酸二钠的含量为1-2重量份，所述减水剂的含量为0.2-0.5重量份，所述触变剂的含量为0.2-0.8重量份，所述1,3-β葡萄糖的含量为0.5-2重量份，所述缓凝剂的含量为0.3-1重量份，所述早强剂的含量为0.03-0.1重量份，所述聚丙烯纤维的含量为0.1-0.3重量份；
所述硅酸盐水泥为P·I 52.5MPa或P·II 52.5MPa的硅酸盐水泥，比表面积≥380m2/kg；所述快硬水泥为强度等级为42.5MPa及以上的快硬硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m2/kg；所述润湿剂为非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂。
本发明中，硅酸盐水泥是打印砂浆的主要胶凝材料，发明人发现将一定比例的快硬水泥与硅酸盐水泥配合使用，能够调整打印砂浆的凝结时间和早期强度，并改善打印砂浆的打印支撑性。
优选地，所述非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂为粉末状的非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂。示例性地，可以为BASF公司的Vinapor@WA 3918F。
优选地，所述硅灰为非加密型硅灰，且所述硅灰中的SiO2含量≥92重量％，堆积密度为180-300kg/m3，比表面积≥15m2/g，7d活性指数≥105％。
本发明的发明人在研究中发现，在该优选的实施方式下，将硅灰、润湿剂、亚甲基二萘磺酸二钠等组分配合使用，能够加快砂浆干粉的吸水速度，促进水和砂浆干粉的结合，显著提升打印砂浆的润湿性能，缩短砂浆的搅拌时间，减小双混泵启停所导致的浆体流动度波动；同时，硅灰能够填充于水泥及其水化产物的堆积空隙，在1,3-β葡萄糖、可再分散乳胶粉等组分的协同作用下，能够有效提高砂浆硬化体的密实度，提高砂浆层间粘结强度。
优选地，所述硬石膏为天然硬石膏，所述硬石膏的细度≮200目，且所述硬石膏中的CaSO4含量≥85重量％。发明人发现，在该优选的实施方式下，硬石膏在砂浆体系中能够增加水化硫铝酸钙(钙矾石)的生成量，补偿砂浆收缩。
优选地，所述石英砂的SiO2含量≥90重量％，且所述石英砂中含有重量比为1：1.8-2.2的大颗粒石英砂和小颗粒石英砂，所述大颗粒石英砂的细度为20-40目；所述小颗粒石英砂的细度为40-70目。
本发明对所述可再分散乳胶粉的具体种类没有特别的要求，示例性地，可以为德国Wacker公司的Vinnapas@5010N、5044N。
优选地，所述减水剂选自萘系减水剂、密胺系减水剂中的至少一种。本发明对减水剂的具体种类没有特别的要求，示例性地，可以为BASF公司的Melment F10减水剂、浙江吉盛公司的FDN-05减水剂。
优选地，所述早强剂选自硫酸锂、碳酸锂中的至少一种。
优选地，所述触变剂为甲基-胶基多糖与硅酸镁铝的组合，所述甲基-胶基多糖与所述硅酸镁铝的含量重量比为1：5-8。发明人发现，在该优选的实施方式下，能够使得得到的打印湿砂浆具有较高的初始支撑力。
优选地，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠与酒石酸的组合，所述葡萄糖酸钠与所述酒石酸的含量重量比为1：2.5-5。
本发明中，葡萄糖酸钠与酒石酸两者复合的缓凝剂能够调节打印砂浆的凝结时间，保证砂浆有足够的打印操作时间；同时，发明人发现，在该优选的实施方式下，将缓凝剂与早强剂配合使用，能够在保证可打印时间的前提下，使打印砂浆获得良好的支撑能力和早期强度。
如前所述，本发明的第二方面提供了一种制备3D打印干混砂浆的方法，该方法包括：将前述第一方面所述的砂浆组合物中的各组分进行混合。
本发明中，所述混合的操作可以在分散釜和/或干粉砂浆混合机中进行。
如前所述，本发明的第三方面提供了由前述第二方面所述的方法制备得到的3D打印干混砂浆。
如前所述，本发明的第四方面提供了前述第三方面所述的3D打印干混砂浆在建筑3D打印中的应用。
在使用时，将所述3D打印干混砂浆与水混合均匀即可进行建筑3D打印。
优选地，将所述3D打印干混砂浆与水置于双混泵中进行混合。
优选地，所述3D打印干混砂浆与水的用量重量比为1：0.1-0.2。
以下将通过实例对本发明进行详细描述。
以下实例中，在没有特别说明的情况下，涉及到的实验仪器和原料均为市售品。
实验仪器
水泥胶砂搅拌机：JJ-5水泥胶砂搅拌机，无锡建仪仪器机械有限公司；
双混泵：DuoMix-Connect，德国M-tec公司。
原料
硅酸盐水泥：P·I 52.5MPa硅酸盐水泥，海螺牌P·I 52.5水泥，海螺(双峰)水泥有限公司；
硅酸盐水泥：P·II 52.5MPa硅酸盐水泥，海螺牌P·II 52.5水泥，海螺(双峰)水泥有限公司；
快硬水泥：42.5MPa快硬硫铝酸盐水泥，安达SAC 42.5级水泥，湖北安达特种水泥有限公司；
硅灰：非加密型原状硅灰，SiO2含量为94重量％，堆积密度为200kg/m3，比表面积为18m2/g，7d活性指数为108％，联丰95U，遵义联丰工贸有限责任公司；
硬石膏：平均细度为200目，CaSO4含量为92重量％，安徽恒泰新材料科技股份有限公司；
大颗粒石英砂：细度为20-40目，湖南南联环资科技有限责任公司；
小颗粒石英砂：细度为40-70目，湖南南联环资科技有限责任公司；
可再分散乳胶粉：Vinnapas@5010N胶粉，德国Wacker公司；
润湿剂：非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂，Vinapor@WA 3918F，粉末状，BASF公司；
亚甲基二萘磺酸二钠：NNO，浙江闰土股份有限公司；
减水剂：萘系减水剂，FDN-05减水剂，浙江吉盛公司；
减水剂：密胺系减水剂，Melment F10减水剂，BASF公司；
触变剂：甲基-胶基多糖，RS-03触变剂，上海英杉新材有限公司；
触变剂：硅酸镁铝，BT-06触变剂，上海尚南贸易股份有限公司；
1,3-β葡萄糖：工业130葡萄糖，常州耀圣美环保科技有限公司；
磷酸三丁酯消泡剂：DF-822，东莞市德丰消泡剂有限公司；
缓凝剂：葡萄糖酸钠，PN-01，山东西王糖业有限公司；
缓凝剂：酒石酸，RA-01缓凝剂，上海英杉新材料科技有限公司；
早强剂：硫酸锂，AC-01早强剂，上海英杉新材料科技有限公司；
早强剂：碳酸锂，AC-03早强剂，上海英杉新材料科技有限公司；
聚丙烯纤维：PP-06纤维，广州建涂堡建材有限公司；
S95矿渣粉：比表面积为550m2/Kg，湖南三泓建材有限公司；
甲基羟丙基纤维素醚：GMC-1420纤维素醚，上海惠广精细化工有限公司；
氧化镁：XT-MgO，上海巷田纳米材料有限公司；
磷酸二氢铵：027GS，连云港冠苏实业有限公司；
硼砂：1330-43-4，天元航材(营口)科技股份有限公司；
乳液：SD623，巴斯夫有限公司；
纤维：PP06纤维，广州建涂堡建材有限公司；
脱硫石膏：G18，武汉泰尔美建材有限公司；
钛白粉：QTH-90，广州宏泰有限公司；
石灰石粉：GY200，江西广源钙业有限公司。
以下实例的组分用量均以重量份表示。在没有特别说明的情况下，每重量份的质量为10g。
以下实例中，涉及到的性能测试方法如下：
1、塑化时间测试
分别称取2kg干混砂浆及其对应比例的水，先后将称量好的干混砂浆与水倒入JJ-5水泥胶砂搅拌机，开启搅拌机，采用手动快速搅拌模式，启动搅拌机的同时开始计时，当刚形成浆体且拌合物无干粉状物料时即停止搅拌并终止计时，计时的时间段即为塑化时间。
2、打印砂浆在双混泵的启停过程中的流动度稳定性测试
根据双混泵的干粉排量和给定的水料比，设定对应的拌合水进水量；启动双混泵，待出双混泵的湿砂浆的状态稳定后，从双混泵出口取适量湿砂浆测定其跳桌流动度，记为稳定流动度；关闭双混泵，停止20s后再启动双混泵，从双混泵出口取适量湿砂浆测定其跳桌流动度，记为启停流动度。
3、打印砂浆的凝结时间、干缩率、抗压强度、抗折强度测试
打印砂浆的凝结时间、干缩率按照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试；打印砂浆的抗压强度、抗折强度按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行测试。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的3D打印干混砂浆组合物按照表1中的配方均匀混合制备得到3D打印干混砂浆S1；
在制备用于3D打印的湿砂浆时，所述3D打印干混砂浆S1与水的用量重量比为1：0.16。
在没有特别说明的情况下，其余实例采用与实施例1相同的方法进行，不同的是所采用的3D打印干混砂浆组合物配方、干混砂浆与水的用量重量比不同，具体参见表1中。
对比例5
按照如下配方及方法制备3D打印白色水泥基浆体：
以重量份计，包括以下组分：碱性氧化物740份、磷酸盐组分400份、缓凝剂120份、纤维25份、脱硫石膏25份、钛白粉17份、石灰石粉10份、乳液30份、水410份；
制备方法包括以下步骤：
(1)将碱性氧化物(氧化镁)、磷酸盐组分(磷酸二氢铵)、缓凝剂(硼砂)混合搅拌均匀后加入水，以100-150rpm的转速搅拌30s；
(2)在步骤(1)得到的混合物中加入改性剂中的液态组分(乳液)，搅拌30s，加入改性剂中的固态组分(纤维、脱硫石膏、钛白粉、石灰石粉)，以100-150rpm的转速搅拌20s，再以100-150rpm的转速搅拌1min，得到3D打印白色水泥基浆体DS5。
表1
Figure BDA0003627530490000111
Figure BDA0003627530490000121
采用前述测试方法对各实例中获得的3D打印干混砂浆进行性能测定，具体结果见表2。
表2
Figure BDA0003627530490000122
Figure BDA0003627530490000131
从以上结果可以看出，本发明提供的3D打印干混砂浆组合物制备得到的3D打印干混砂浆具有易润湿、塑化速度快的特点，塑化时间为10-20s，且搅拌设备启停过程中砂浆流动度保持稳定，砂浆的流动度波动为185-195mm，对挤出料条宽度无明显影响，适用于双混泵搅拌时间短、连续搅拌泵送的工况；同时，本发明提供的3D打印干混砂浆的硬化砂浆密实度高、早强高强、打印料层层间粘结牢、干缩率低。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种3D打印干混砂浆组合物，其特征在于，该砂浆组合物中含有各自独立保存或者两者以上混合保存的以下组分：硅酸盐水泥、快硬水泥、硅灰、硬石膏、石英砂、可再分散乳胶粉、润湿剂、亚甲基二萘磺酸二钠、减水剂、触变剂、1,3-β葡萄糖、缓凝剂、早强剂、聚丙烯纤维；
相对于100重量份的所述硅酸盐水泥，所述快硬水泥的含量为10-20重量份，所述硅灰的含量为5-10重量份，所述硬石膏的含量为5-12重量份，所述石英砂的含量为120-200重量份，所述可再分散乳胶粉的含量为0.5-2重量份，所述润湿剂的含量为0.5-1重量份，所述亚甲基二萘磺酸二钠的含量为1-2重量份，所述减水剂的含量为0.2-0.5重量份，所述触变剂的含量为0.2-0.8重量份，所述1,3-β葡萄糖的含量为0.5-2重量份，所述缓凝剂的含量为0.3-1重量份，所述早强剂的含量为0.03-0.1重量份，所述聚丙烯纤维的含量为0.1-0.3重量份；
所述硅酸盐水泥为P·I 52.5MPa或P·II 52.5MPa的硅酸盐水泥，比表面积≥380m2/kg；所述快硬水泥为强度等级为42.5MPa及以上的快硬硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m2/kg；所述润湿剂为非离子型聚乙二醇酯类砂浆润湿剂。
2.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其中，所述硅灰为非加密型硅灰，且所述硅灰中的SiO2含量≥92重量％，堆积密度为180-300kg/m3，比表面积≥15m2/g，7d活性指数≥105％。
3.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其中，所述硬石膏的细度≮200目，且所述硬石膏中的CaSO4含量≥85重量％。
4.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其中，所述石英砂的SiO2含量≥90重量％，且所述石英砂中含有重量比为1：1.8-2.2的大颗粒石英砂和小颗粒石英砂，所述大颗粒石英砂的细度为20-40目；所述小颗粒石英砂的细度为40-70目。
5.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其中，所述减水剂选自萘系减水剂、密胺系减水剂中的至少一种；所述早强剂选自硫酸锂、碳酸锂中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其中，所述触变剂为甲基-胶基多糖与硅酸镁铝的组合，所述甲基-胶基多糖与所述硅酸镁铝的含量重量比为1：5-8。
7.根据权利要求1或2所述的砂浆组合物，其中，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠与酒石酸的组合，所述葡萄糖酸钠与所述酒石酸的含量重量比为1：2.5-5。
8.一种制备3D打印干混砂浆的方法，其特征在于，该方法包括：将权利要求1-7中任意一项所述的砂浆组合物中的各组分进行混合。
9.由权利要求8所述的方法制备得到的3D打印干混砂浆。
10.权利要求9所述的3D打印干混砂浆在建筑3D打印中的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其中，将所述3D打印干混砂浆与水置于双混泵中进行混合。
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