CN116535156B - 一种可提高泵送性的纳米改性3d打印高强混凝土及制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土及其制备方法，混凝土按重量份包括：水泥700～825份，硅灰100～150份，石英砂1000～1200份，富里酸改性粉煤灰100～175份，水180～250份，减水剂5～9份，增稠剂0.5～3份，纳米粘土10～90份、钢纤维30～90份。先将干料、水、减水剂、钢纤维和纳米材料拌合成浆体进行泵送，再通过打印头中的搅拌装置加入粘度调节剂进行打印。本发明掺入多孔结构改性粉煤灰，增强了混凝土强度、获得良好的触变性和保水性；双组分打印使得砂浆具有更好的可泵性；纳米粘土的添加使得钢纤维与基体有良好界面结合，使得建筑成品具有更强的力学韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，尤其涉及一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土及制法。
背景技术
3D打印混凝土作为一种新兴建造工艺，较传统浇注成型工艺，它以无模支撑、快速成型、打印异形构件、设计灵活度高、建造效率高的优势和节省材料、人工的经济优势受到各国的广泛关注。它是一种基于数字化、自动化技术的增材制造方法，按照数字模型成型的行进路径，将水泥基材料作为打印材料，通过层层堆叠，最终形成三维结构或者构件。
尽管3D打印混凝土在智能建筑上有广泛应用，但和传统浇注工艺相比，打印工艺还是存在几个问题：(1)混凝土通常是脆性材料，目前还没有成熟的配筋方式可以适合3D打印混凝土来有效提高其抗拉力学性能；(2)较浇筑混凝土的振捣密实工艺，3D PC直接从喷嘴挤出并无振动沉积的成型方式，使得打印混凝土后期硬化阶段容易产生塑性开裂问题；(3)可打印新拌混凝土的流变性能要求较高。
钢纤维加入混凝土中能增强结构的抗压、抗弯强度和能量吸收能力，一方面有望解决3D打印混凝土的配筋问题，但另一方面由于3D打印混凝土基体粘度大且加入钢纤维后屈服应力过大，导致砂浆泵送困难，不能有效提高可打印性。此外，钢纤维与基体的界面粘接主要是物理作用，受到外力时，纤维容易拔出。因此，钢纤维与基体的界面粘接性能是发挥其在混凝土中抗裂及增韧效应的重要前提。目前，研究主要通过调整混凝土配合比、混凝土拌制和提高泵送设备的可靠性来改善混凝土的可泵性。此外现已有文献通过增加打印界面的粗糙度和粘接性能来提高界面力学性能，如增加层间界面的表面水分、在层间刷水泥浆和使用骨料床打印等方法。本发明采用不同于以上的方法来提高含钢纤维打印混凝土的界面力学性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可打印性强、力学韧性高的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土；
本发明的第二个目的是提供上述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法。
技术方案：本发明的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份包括以下组分：
其中，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.5～1.5％。
其中，所述富里酸改性粉煤灰的具体制备方式为：将粉煤灰加入富里酸溶液中，搅拌，浸泡，过滤后，烘干，碾碎，得到酸化粉煤灰，即制得富里酸改性粉煤灰。
其中，所述富里酸溶液的浓度为1.0～1.2mol/L；粉煤灰与富里酸的质量比为60:37～60:29；所述浸泡的时间为23～24h。富里酸溶液在该浓度范围与粉煤灰进行化学改性，可以使得粉煤灰变成多孔结构，加入混凝土中可更好提高砂浆触变性和保水性。酸液不在上述浓度范围，过小则会未充分发挥酸的作用，粉煤灰改性效果较小，过大则破坏粉煤灰结构，对混凝土力学强度损失大。
其中，所述纳米粘土的平均颗粒长度为1.5～2μm，平均直径为30～35nm。使用该范围的纳米粘土，可以有效提高基体与纤维的界面粘接性能。
其中，所述钢纤维为镀铜微丝，形状为平直形，长度为12～13mm，直径为0.2～0.25mm，抗拉强度为2911～3120MPa。
其中，所述硅灰的粒径为0.1～0.3μm，堆积密度为1.6～1.8g/cm3。使用该粒径范围的硅灰，与富里酸改性粉煤灰和纳米粘土协同加入，可以优化胶凝材料的粒径级配，减小孔隙率并增强界面过渡区，有效提高基体与纤维的界面粘接性能。
其中，所述石英砂为细骨料，细度模数为2.91～3.10。
其中，所述水泥为硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥为型号为52.5R的普通硅酸盐水泥，具有一定的早强效果，使得混凝土具有更短的初凝和终凝时间，打印出的混凝土能够更快地成型。
其中，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素，粘度为75000～78000mPa·s。
其中，所述减水剂为减水率大于30％、固含量为30～38％的聚羧酸系减水剂。
上述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取水泥、硅灰、石英砂、富里酸改性粉煤灰和纳米粘土，搅拌，得到混合干料；
(2)按重量份将减水剂与水混合，得到混合溶液；先将60％～70％的混合溶液加入混合干料中，搅拌；然后再将剩余的混合溶液加入，搅拌，得到拌合物；
(3)向拌合物中加入钢纤维，搅拌，得到砂浆；
(4)将砂浆与增稠剂分别输送至打印装置的混料器内，搅拌，用于3D打印。
其中，步骤(1)中，搅拌的时间为2～3min；步骤(2)中，将60％～70％的混合溶液加入混合干料中，搅拌5～6min；将剩余的混合溶液加入拌合物中，搅拌5～6min。
其中，步骤(3)中，为保证纤维分散均匀，将钢纤维通过内径为5～6mm的方孔钢丝网筛加入拌合物，在1～2min内添加完成并搅拌5～6min。
其中，步骤(4)中，将砂浆输送至打印机的打印头中；将增稠剂放置于搅拌装置中，增稠剂通过搅拌装置输送至打印头中，使得增稠剂与砂浆在打印头中混合，搅拌，然后进行3D打印。具体的，将拌合粘度适中的砂浆倒入机械臂式打印机的传送泵，经由管道运输到打印头，增稠剂通过打印头中的一个搅拌装置加入，均匀搅拌，即制得产物，然后进行生产打印。其中，泵送速度为3～3.2L/min，单层高度设置为12～20mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为12～20mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为20～50mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在100～200mm/s。
发明原理：经由富里酸改性粉煤灰呈多孔结构，一方面，加入混凝土后能够赋予良好的触变性和保水性；另一方面，富里酸可与粉煤灰中的金属氧化物发生氧化还原反应，提高粉煤灰的反应活性。纳米粘土加入后，能与混凝土基体有良好的界面粘接性能，降低了纤维在受力拔出的可能性。富里酸改性粉煤灰、硅灰和纳米粘土协同加入，可以优化胶凝材料的粒径级配，进一步减小基体孔隙率和增强界面过渡区。同时，使得建筑成品具有更强的力学韧性，对于解决3D打印混凝土配筋问题有重要意义。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明掺入多孔结构的改性粉煤灰，能够增强混凝土强度、赋予其良好的触变性和保水性；纳米粘土的添加使得钢纤维与基体有良好界面结合，使得建筑成品具有更强的力学韧性，对解决3D打印混凝土配筋问题有重要意义。(2)本发明的混凝土原料组成简单且来源丰富，粘度调节剂通过机械臂式打印机的打印头中搅拌装置加入，双组分打印设计很好的解决了钢纤维混凝土打印泵送难的问题。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份计，包括以下组分：PⅡ52.5R硅酸盐水泥700份，硅灰100份，石英砂1000份，富里酸改性粉煤灰100份，水180份，减水剂5份，羟丙基甲基纤维素0.5份，纳米粘土10份、钢纤维30份。
其中，富里酸改性粉煤灰的具体制备方法为：取300g粉煤灰，加入600ml浓度1mol/L的富里酸溶液，搅拌30min，浸泡23h，过滤后，105℃烘干，碾碎，得到酸化粉煤灰。减水剂的固含量为30％。
上述可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、搅拌过程：(1)按比例称取各种干料搅拌2min；(2)按相应重量份数将减水剂与水混合，得到混合溶液；(3)将60％的混合溶液加入混合干料中，搅拌5min；(4)将剩余40％混合溶液加入拌合物中，搅拌5min；(5)为保证纤维分散均匀，将钢纤维通过内径为5mm的方孔钢丝网筛加入拌合物，在1min内添加完成并搅拌5～6min。
步骤2、打印过程具体为：将拌合粘度适中的砂浆倒入机械臂式打印机的传送泵，经由直径50mm的管道泵送速度为3L/min运输到打印头，粘度调节剂羟丙基甲基纤维素通过打印头中的一个搅拌装置加入，均匀搅拌2min，即制得产物，然后进行生产打印，单层高度设置为20mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为20mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为20mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在100mm/s。
实施例2
一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份计，包括以下组分：PⅡ52.5R硅酸盐水泥750份，硅灰120份，石英砂1050份，富里酸改性粉煤灰120份，水200份，减水剂6份，羟丙基甲基纤维素1份，纳米粘土30份、钢纤维45份。富里酸改性粉煤灰使用实施例1中的制备方法制得，与实施例1不同的是，富里酸溶液浓度为1.05mol/L，粉煤灰与富里酸质量比为60:35，浸泡时间为23.2h。减水剂的固含量为32％。具体打印参数为泵送速度为3L/min，单层高度设置为14mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为14mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为30mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在120mm/s。
实施例3
一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份计，包括以下组分：PⅡ52.5R硅酸盐水泥775份，硅灰130份，石英砂1100份，富里酸改性粉煤灰145份，水210份，减水剂7份，羟丙基甲基纤维素1.5份，纳米粘土50份、钢纤维60份。富里酸改性粉煤灰使用实施例1中的制备方法制得，与实施例1不同的是，富里酸溶液浓度为1.10mol/L，粉煤灰与富里酸质量比为60:33，浸泡时间为23.5h。减水剂的固含量为34％。具体打印参数为泵送速度为3.1L/min，单层高度设置为16mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为16mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为35mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在150mm/s。
实施例4
一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份计，包括以下组分：PⅡ52.5R硅酸盐水泥800份，硅灰140份，石英砂1150份，富里酸改性粉煤灰160份，水230份，减水剂8份，羟丙基甲基纤维素2份，纳米粘土70份，钢纤维75份。富里酸改性粉煤灰使用实施例1中的制备方法制得，与实施例1不同的是，富里酸溶液浓度为1.15mol/L，粉煤灰与富里酸质量比为60:31，浸泡时间为23.7h。减水剂的固含量为36％。具体打印参数为泵送速度为3.1L/min，单层高度设置为18mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为18mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为40mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在180mm/s。
实施例5
一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，按重量份计，包括以下组分：PⅡ52.5R硅酸盐水泥825份，硅灰150份，石英砂1200份，富里酸改性粉煤灰175份，水250份，减水剂9份，羟丙基甲基纤维素3份，纳米粘土90份，钢纤维90份。富里酸改性粉煤灰使用实施例1中的制备方法制得，与实施例1不同的是，富里酸溶液浓度为1.20mol/L，粉煤灰与富里酸质量比为60:29，浸泡时间为24h。减水剂的固含量为38％。具体打印参数为泵送速度为3.2L/min，单层高度设置为20mm，打印喷嘴与打印台之间的初始距离设置为20mm，打印头的螺杆旋转速度为打印头直径为50mm。打印速度根据新拌砂浆实际状态调节，可设置在200mm/s。
对比例1
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，使用未改性粉煤灰100份。
对比例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，在制备可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的过程中，将1mol/L的富里酸溶液与粉煤灰作为两种组分同时加入。
对比例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，使用0.5mol/L的富里酸溶液改性粉煤灰。
对比例4
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，使用1mol/L的盐酸溶液改性粉煤灰。
对比例5
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，不加纳米粘土。
对比例6
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，硅灰换成矿粉。
对比例7
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，羟丙基甲基纤维素直接与干料拌合再通过机械臂式打印机进行泵送打印。
依据GB/T 2419-2005测试新拌浆体的工作性，参照相关文献对3D打印混凝土进行圆筒坍落测试通过坍落度评价可泵性，其中，圆筒的规格为直径80mm、高80mm。采用打印长为30cm的混凝土并测量其可挤出条带宽度来评价可挤出性。打印尺寸为长30cm、高8层的试件测量其层高来评价其打印的可建造性。
采用RST-SST旋转流变仪对实施例和对比例中的砂浆进行流变试验，测试转子为桨式转子，内径和外径分别为10mm和20mm，测试条件为温度(25±2)℃，相对湿度(70±3)％，静态屈服应力的剪切制度为以0.1r/s的剪切速率对新拌浆体低速剪切120s。
参照GB/T 17671—2021水泥胶砂强度检验方法和JSCE,2018拉伸试验标准的试样尺寸和测试制度对水养28d的实施例和对比例中的打印混凝土切割并进行抗压强度、单轴拉伸强度和界面力学性能测试。
表1混凝土流变性能和泵送打印时坍落度的测试结果
| 名称 | 初始静态屈服应力/Pa | 泵送时坍落度/mm | 打印时坍落度/mm |
| 实施例1 | 4360.8 | 18.5 | 9.5 |
| 实施例2 | 4697.0 | 17.0 | 8.0 |
| 实施例3 | 4906.0 | 16.5 | 6.5 |
| 实施例4 | 5200.0 | 15.0 | 5.5 |
| 实施例5 | 6300.3 | 12.5 | 3 |
| 对比例1 | 4700.5 | 17.5 | 8 |
| 对比例2 | 4299.5 | 27.0 | 13.0 |
| 对比例3 | 4870.5 | 17.5 | 7.5 |
| 对比例4 | 4270.5 | 23.0 | 11.5 |
| 对比例5 | 4100 | 21.5 | 11.0 |
| 对比例6 | 4230 | 20.0 | 13.0 |
| 对比例7 | 4367 | 9.5 | 8.0 |
表2混凝土可打印性和力学性能测试结果
表1、2结果显示，实施例1～5组别的新拌砂浆工作性良好。随钢纤维掺量增加，坍落度降低，新拌砂浆静态屈服应力增加。根据相关文献，砂浆圆筒坍落度大于15mm有利于泵送，坍落度小于10mm可建造性较好。所有组别的新拌砂浆坍落度在泵送和打印时的坍落度都满足此坍落度范围。与对比例6相比，实施例1～5可实现良好泵送且能有效打印，这表明通过打印头中的一个搅拌装置加入粘度调节剂的双组分打印设计，不影响可建造性的前提下，新拌浆体的可泵性有效得以提高。
与对比例1、2相比，通过上表各项力学强度数据可见，使用1mol/L的富里酸溶液改性粉煤灰，而非直接进行混合，能够提高粉煤灰活性，赋予混凝土良好的触变性和保水性。与常规粉煤灰改性剂盐酸相比，富里酸溶液酸性小于盐酸，可降低酸性对强度的损失。同时，改性剂富里酸溶液的浓度也对混凝土的可打印性力学性能有影响，本文所述的1.0％mol/L比0.5mol/L的改性效果更好。与对比例5相比，随纳米粘土掺量增多，可挤出条带宽度降低且可打印性更优良。改性粉煤灰、纳米粘土、硅灰三者之间协同加入，提高了纤维与基体结合的界面力学性能，有效改善了结构的力学韧性。这是由于它们更好地发挥胶凝材料的颗粒级配，减小孔隙率并增强界面过渡区。
Claims (9)
1.一种可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，按重量份包括以下组分：
水泥 700~825份；
硅灰 100~150份；
石英砂 1000~1200份；
富里酸改性粉煤灰 100~175份；
水 180~250份；
减水剂 5～9份；
纳米粘土 10~90份；
增稠剂 0.5~3份；
钢纤维 30～90份；
其中，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.5～1.5％；
所述富里酸改性粉煤灰的具体制备方式为：将粉煤灰加入富里酸溶液中，搅拌，浸泡，过滤后，烘干，碾碎，得到酸化粉煤灰，即制得富里酸改性粉煤灰；
所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
（1）按重量份称取水泥、硅灰、石英砂、富里酸改性粉煤灰和纳米粘土，混合搅拌，得到混合干料；
（2）按重量份将减水剂与水混合，得到混合溶液；先将60%~70%的混合溶液加入混合干料中，搅拌；然后再将剩余的混合溶液加入，搅拌，得到拌合物；
（3）向拌合物中加入钢纤维，搅拌，得到砂浆；
（4）将砂浆与增稠剂分别输送至打印装置的混料器内，搅拌，用于3D打印。
2.根据权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，所述富里酸溶液的浓度为1.0~1.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，所述粉煤灰与富里酸的质量比为60:37~60:29。
4.根据权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，所述浸泡的时间为23~24h。
5.根据权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，所述纳米粘土的平均颗粒长度为1.5~2μm，平均直径为30 ~35nm。
6.根据权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜微丝，形状为平直形，长度为12~13mm，直径为0.2~0.25mm，抗拉强度为2911~3120MPa。
7.一种权利要求1所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按重量份称取水泥、硅灰、石英砂、富里酸改性粉煤灰和纳米粘土，混合搅拌，得到混合干料；
（2）按重量份将减水剂与水混合，得到混合溶液；先将60%~70%的混合溶液加入混合干料中，搅拌；然后再将剩余的混合溶液加入，搅拌，得到拌合物；
（3）向拌合物中加入钢纤维，搅拌，得到砂浆；
（4）将砂浆与增稠剂分别输送至打印装置的混料器内，搅拌，用于3D打印。
8.根据权利要求7所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，将砂浆输送至打印机的打印头中；将增稠剂放置于搅拌装置中，增稠剂通过搅拌装置输送至打印头中，使得增稠剂与砂浆在打印头中混合，搅拌，然后进行3D打印。
9.根据权利要求7所述的可提高泵送性的纳米改性3D打印高强混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，将钢纤维通过钢丝网筛加入。
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Citations (6)
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| CN109053065A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-21 | 中建西部建设贵州有限公司 | 一种粉煤灰掺混料及其制备方法 |
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