CN115594469A - 一种低干燥收缩的3d打印混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印混凝土技术领域，公开了一种低干燥收缩的3D打印混凝土，由以下重量份组成：粉煤灰硅酸盐水泥80～100份、硫铝酸盐水泥10～30份、硅灰0.5～1.5份、细骨料90～120份、聚丙烯纤维1.5～3.5份、纤维素醚3～5份、陶瓷抛光砖粉1～10份、粒化高炉矿渣粉1～20份、钢渣粉1～20份、外加剂0.2～0.4份、减水剂0.1～1份、膨胀剂1～20份、混凝土用水20～30份。本发明中通过加入聚丙烯纤维、纤维素醚，能够起到内养护和纤维增韧的作用，同时纤维素醚的使用，使得纤维素醚和水泥颗粒之间形成一次薄而能防止内部水分向外渗漏的聚合物膜，能够有效的减轻3D打印混凝土由于无膜养护造成干裂、收缩的现象。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印混凝土技术领域，具体是一种低干燥收缩的3D打印混凝土及其制备方法。
背景技术
3D打印技术是一种基于增材制造原理的新型加工技术，近年来在土木工程领域中的应用越来越广泛。与传统建造方式相比，3D打印建造技术施工速度快，不再需要使用模板和数量庞大的建筑工人，并能够非常容易地打印出其他方式难以建造的曲线建筑，大大提高了生产效率，具有低碳、绿色、环保等特点。3D打印混凝土由于独特的成型工艺，较之普通浇筑模式混凝土面临更为严重的收缩开裂风险；首先，在3D打印混凝土的配合比设计过程中，为满足挤出性要求通常不使用粗骨料，并且胶凝材料在混凝土体系中所占比例较大，一般达到45～50％，而在普通浇筑形式混凝土中胶凝材料占比通常仅为15～25％，因此3D打印混凝土收缩也高于浇筑形式混凝土，为防止这一现象，因此提出一种低干燥收缩的3D打印混凝土及其制备方法。
中国专利公开了一种用于3D打印的混凝土及其制备方法(授权公告号CN113636811A)，该专利技术通过采用分散体，使三乙醇胺分散于混凝土的其余组分中，使水泥颗粒不易因速凝体的加入而发成聚沉，利于水化反应的发生，能够提高混凝土的速凝效果，且分散体包覆于速凝体外，则使速凝体与分散体有更大的结合面积，进一步提高速凝体在混凝土的分散性，但是其混凝土的抗压强度较弱，混凝土的使用寿命以及安全性降低，并且抗干燥收缩的性能较弱，混凝土质量降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低干燥收缩的3D打印混凝土及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低干燥收缩的3D打印混凝土，由以下重量份组成：粉煤灰硅酸盐水泥80～100份、硫铝酸盐水泥10～30份、硅灰0.5～1.5份、细骨料90～120份、聚丙烯纤维1.5～3.5份、纤维素醚3～5份、陶瓷抛光砖粉1～10份、粒化高炉矿渣粉1～20份、钢渣粉1～20份、外加剂0.2～0.4份、减水剂0.1～1份、膨胀剂1～20份、混凝土用水20～30份。
作为本发明再进一步的方案：所述粉煤灰硅酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间不小于45min，终凝不大于600min，所述硫铝酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间30-50min，终凝在40-90min。
作为本发明再进一步的方案：所述细骨料宜选用级配II区的中砂，细度模数为3.0-2.3，并且细骨料的最大粒径不应超过打印头出口内径的三分之一。
作为本发明再进一步的方案：所述外加剂包括早强剂、缓凝剂、速凝剂，所述早强剂包括甲酸盐、氯盐、硫酸盐或硝酸盐中的一种或几种，所述缓凝剂包括木质素磺酸盐及其衍生物、低分子量纤维素及其衍生物、羟基羧酸(盐)、有机膦酸(盐)、硼酸(盐)中的一种或几种组合，所述速凝剂可采用无机盐类，所述速凝剂初凝1～5min，终凝5～12min，并且细度为80μm孔筛，筛余物小于10％。
作为本发明再进一步的方案：所述膨胀剂包括硫酸钙类混凝土膨胀剂、硫酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂以及氧化钙类混凝土膨胀剂中的一种或者几种组合。
作为本发明再进一步的方案：所述混凝土用水包括混凝土拌合水和混凝土养护水，所述混凝土拌合水为市政饮用水，并且不应有漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味。
作为本发明再进一步的方案：所述减水剂包括萘系高效减水剂、脂环族高效减水剂、羟基限速性能减水剂、减水激起剂中的一种，所述聚丙烯纤维的长度为20～35mm。
一种低干燥收缩的3D打印混凝土的制备方法：包括以下步骤：
S1、第一次混合：按照比例称取粉煤灰硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、细骨料、聚丙烯纤维、纤维素醚、陶瓷抛光砖粉、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉倒入混凝土搅拌机的内部搅拌至少3分钟，直至混合均匀，得到第一混合物；
S2、第二次混合：根据配比，称量混凝土用水、减水剂、膨胀剂得到混合溶液，将混合容易加入S1的第一混合物中，混合5-10min，直至搅拌均匀，得到第二混合物；
S3、第三次混合：根据配比，称量外加剂，将外加剂导入S2的第二混合物中，混合搅拌5-10min，得到低干燥收缩的3D打印混凝土。
作为本发明再进一步的方案：所述S2中首先将混合溶液的二分之一倒入第一混合物的内部搅拌5-6min，搅拌均匀后将剩余的二分之一混合溶液全部倒入，继续搅拌5-6min，得到均匀充分的第二混合物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过加入硅灰、陶瓷抛光砖粉、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料，其活性成分可大幅度提高混凝土的强度和紧密性，以及混凝土的耐久性和使用寿命，其中陶瓷抛光砖粉使得混凝土的强度得到提高，而且早期强度表现突出，另外陶瓷抛光砖粉具有良好的黏聚性和保水性，使得3D打印混凝土的品质得到提高，利于使用，并且硅灰具有很高的活性，作用混凝土的外掺合料，对3D打印混凝土的前期强度增强起到很大的作用，能够提高3D打印混凝土的密实度和强度，而且还提高了印混凝土后期的抗折强度值，使得3D打印混凝土的使用强度得到提高，满足3D打印混凝土使用的强度等级，从而使用寿命以及安全性得到提高。
2、本发明中通过加入聚丙烯纤维、纤维素醚，能够起到内养护和纤维增韧的作用，有效的防止混凝土出现塑性收缩裂缝，降低3D打印混凝土收缩变形的问题，同时纤维素醚的使用，使得纤维素醚和水泥颗粒之间形成一次薄而能防止内部水分向外渗漏的聚合物膜，能够有效的减轻3D打印混凝土由于无膜养护造成干裂、收缩的现象，并且纤维素醚也具有良好的保水性、可塑性和柔韧性，使得水分能够完全的保存再混凝土的内部，减小水分蒸发的同时保证了水泥的充分凝结硬化，增强抗干燥收缩的能力，还能很好的应对打印堆叠产生的变形效应和材料形变产生的应力效应，配合外加剂、膨胀剂的使用，使得3D打印混凝土具有低干燥收缩、抗压强度好的优点。
具体实施方式
本发明实施例中，一种低干燥收缩的3D打印混凝土，由以下重量份组成：粉煤灰硅酸盐水泥80～100份、硫铝酸盐水泥10～30份、硅灰0.5～1.5份、细骨料90～120份、聚丙烯纤维1.5～3.5份、纤维素醚3～5份、陶瓷抛光砖粉1～10份、粒化高炉矿渣粉1～20份、钢渣粉1～20份、外加剂0.2～0.4份、减水剂0.1～1份、膨胀剂1～20份、混凝土用水20～30份。
优选的：粉煤灰硅酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间不小于45min，终凝不大于600min，硫铝酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间30-50min，终凝在40-90min，硫铝酸盐水泥能够获得更快的凝结时间和更好的早期强度。
优选的：细骨料宜选用级配II区的中砂，细度模数为3.0-2.3，并且细骨料的最大粒径不应超过打印头出口内径的三分之一。
优选的：外加剂包括早强剂、缓凝剂、速凝剂，早强剂包括甲酸盐、氯盐、硫酸盐或硝酸盐中的一种或几种，早强剂能够促进混凝土早期强度的发展，缓凝剂包括木质素磺酸盐及其衍生物、低分子量纤维素及其衍生物、羟基羧酸(盐)、有机膦酸(盐)、硼酸(盐)中的一种或几种组合，缓凝剂能够使得混凝土能在较长时间内保持塑性，从而调节新拌混凝土的凝结时间，速凝剂可采用无机盐类，速凝剂初凝1～5min，终凝5～12min，并且细度为80μm孔筛，筛余物小于10％，可选择采用红星Ⅰ型速凝剂，外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一，是混凝土改性的一种重要方法和技术。
优选的：膨胀剂包括硫酸钙类混凝土膨胀剂、硫酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂以及氧化钙类混凝土膨胀剂中的一种或者几种组合，膨胀剂能够有效补偿3D打印混凝土的收缩并提高其早期抗开裂能力。
优选的：混凝土用水包括混凝土拌合水和混凝土养护水，混凝土拌合水为市政饮用水，并且不应有漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味，对混凝土养护水重点控制pH值、氯离子含量、硫酸根离子含量和放射性指标等，可按拌合用水适当放宽。
优选的：减水剂包括萘系高效减水剂、脂环族高效减水剂、羟基限速性能减水剂、减水激起剂中的一种，减水剂能够增加水化效率、减少单位用水量、增加强度、节省水泥用量、改良尚未凝固的混凝土的和易性，聚丙烯纤维的长度为20～35mm。
一种低干燥收缩的3D打印混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、第一次混合：按照比例称取粉煤灰硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、细骨料、聚丙烯纤维、纤维素醚、陶瓷抛光砖粉、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉倒入混凝土搅拌机的内部搅拌至少3分钟，直至混合均匀，得到第一混合物；
S2、第二次混合：根据配比，称量混凝土用水、减水剂、膨胀剂得到混合溶液，将混合容易加入S1的第一混合物中，混合5-10min，直至搅拌均匀，得到第二混合物；
S3、第三次混合：根据配比，称量外加剂，将外加剂导入S2的第二混合物中，混合搅拌5-10min，得到低干燥收缩的3D打印混凝土；
S4、混凝土输送：将搅拌均匀的第二混合物输送至3D打印机，等待打印，其中可选择泵或者机械输送的送料方式，能够保证混凝土在3D打印时的连续性。
优选的：S2中首先将混合溶液的二分之一倒入第一混合物的内部搅拌5-6min，搅拌均匀后将剩余的二分之一混合溶液全部倒入，继续搅拌5-6min，得到均匀充分的第二混合物。
为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述试验进行阐述：
本发明中采用粉煤灰硅酸盐水泥90份、硫铝酸盐水泥20份、硅灰1份、细骨料100份、聚丙烯纤维2.5份、纤维素醚4份、陶瓷抛光砖粉5份、粒化高炉矿渣粉10份、钢渣粉10份、外加剂0.3份、减水剂0.5份、膨胀剂10份、混凝土用水25份作为实施例一。
选用专利网公开的一种用于3D打印的混凝土及其制备方法(公开日：2018-05-10，公开号：CN108046720A)制备的3D打印混凝土作为对比例一；
将实施例一和对比例一的混凝土产品分别进行3D打印成层高50mm，尺寸为600mm×50mm×200mm的混凝土试件，在同一温度、湿度以及风速的环境条件下，对混凝土的流动度、一周后混凝土的抗压强度、抗折强度以及收缩率进行性能测试，测试结果见表1。
表1：混凝土性能分析表
通过表1可以得出：实施例一中流动度低于对比例一，由于实施例一中加入了保水性能的纤维，因此混凝土的流动度有所降低，但不影响3D打印出料，而且凝结时间缩短；实施例一中抗压强度、抗折强度的数值均大于对比例一中的数值，从而实施例一中的混凝土的抗压强度以及抗折强度更好，而且满足3D打印混凝土使用的强度等级，从而3D打印混凝土的使用寿命以及安全性得到也得到提高；实施例一中的收缩率低于对比例一的收缩率，从而实施例一的抗干燥收缩的效果更好，实施例一中加入了聚丙烯纤维、纤维素醚，有效的防止混凝土出现塑性收缩裂缝，能够起到内养护和纤维增韧的作用，从而达到低干燥收缩的效果，从而可以得出：本申请可以很好地改善混凝土收缩的问题，大大提高3D打印混凝土抗压抗折的效果。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，由以下重量份组成：粉煤灰硅酸盐水泥80～100份、硫铝酸盐水泥10～30份、硅灰0.5～1.5份、细骨料90～120份、聚丙烯纤维1.5～3.5份、纤维素醚3～5份、陶瓷抛光砖粉1～10份、粒化高炉矿渣粉1～20份、钢渣粉1～20份、外加剂0.2～0.4份、减水剂0.1～1份、膨胀剂1～20份、混凝土用水20～30份。
2.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述粉煤灰硅酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间不小于45min，终凝不大于600min，所述硫铝酸盐水泥的强度等级可选择42.5级，初凝时间30-50min，终凝在40-90min。
3.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述细骨料宜选用级配II区的中砂，细度模数为3.0-2.3，并且细骨料的最大粒径不应超过打印头出口内径的三分之一。
4.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述外加剂包括早强剂、缓凝剂、速凝剂，所述早强剂包括甲酸盐、氯盐、硫酸盐或硝酸盐中的一种或几种，所述缓凝剂包括木质素磺酸盐及其衍生物、低分子量纤维素及其衍生物、羟基羧酸(盐)、有机膦酸(盐)、硼酸(盐)中的一种或几种组合，所述速凝剂可采用无机盐类，所述速凝剂初凝1～5min，终凝5～12min，并且细度为80μm孔筛，筛余物小于10％。
5.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述膨胀剂包括硫酸钙类混凝土膨胀剂、硫酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂以及氧化钙类混凝土膨胀剂中的一种或者几种组合。
6.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述混凝土用水包括混凝土拌合水和混凝土养护水，所述混凝土拌合水为市政饮用水，并且不应有漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味。
7.根据权利要求1所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土，其特征在于，所述减水剂包括萘系高效减水剂、脂环族高效减水剂、羟基限速性能减水剂、减水激起剂中的一种，所述聚丙烯纤维的长度为20～35mm。
8.一种实现根据权利要求1所述的低干燥收缩的3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、第一次混合：按照比例称取粉煤灰硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、细骨料、聚丙烯纤维、纤维素醚、陶瓷抛光砖粉、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉倒入混凝土搅拌机的内部搅拌至少3分钟，直至混合均匀，得到第一混合物；
S2、第二次混合：根据配比，称量混凝土用水、减水剂、膨胀剂得到混合溶液，将混合容易加入S1的第一混合物中，混合5-10min，直至搅拌均匀，得到第二混合物；
S3、第三次混合：根据配比，称量外加剂，将外加剂导入S2的第二混合物中，混合搅拌5-10min，得到低干燥收缩的3D打印混凝土；
S4、混凝土输送：将搅拌均匀的第二混合物输送至3D打印机，等待打印。
9.根据权利要求8所述的一种低干燥收缩的3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，所述S2中首先将混合溶液的二分之一倒入第一混合物的内部搅拌5-6min，搅拌均匀后将剩余的二分之一混合溶液全部倒入，继续搅拌5-6min，得到均匀充分的第二混合物。
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