CN106045435A - 3d打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印用的材料技术领域，是一种3D打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法，其原料包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰、硅酸锂、聚羧酸减水剂和氧化石墨烯。本发明在实际使用时，可以根据实际需要的凝结时间和抗压强度选择合适的水胶比来满足实际生产不同的需求，因此本发明具有较广的应用范围，同时使用时具有较好的打印效果；同时，本发明的原料成本更加低廉，并且能够进行废物再循环利用、变废为宝，同时，本发明的制备过程能够有效降低生产成本和能耗，同时生产过程中，没有工业污染物的生成，因此，本发明是一种取材方便、原料成本以及生成成本低廉、制备方法简单、耗能低、环境友好型技术。

Description

3D打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及3D打印用的材料技术领域，是一种3D打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，出现了许多的新技术、新材料。3D打印技术就是这其中的佼佼者。它的出现带来了许多行业革命性的改变，在以往制造高精度的部件、复杂的结构形状都十分依赖于设备工艺和人员的经验。现在，3D打印机将颠覆这一观点，使企业不再依赖生产设备的精度和人员的工作经验，不再考虑生产工艺能否实现，无论任何精度的部件、多么复杂的形状都可以通过3D打印机来实现。

打印技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据CAD、PRO/E等软件构造的产品三维模型对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，喷头选择性的喷射，形成各面，逐步叠加成三维实体，它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工组合。

技术具体到在建筑物中的应用则主要体现为以下三种：D型工艺（D-Shape）,轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）,由于D型工艺和轮廓工艺只适用于制作小部件，对于工程实际应用没有太大意义，所以实际生产中用的为混凝土打印。

建筑打印技术，取决于3D打印机和打印材料“油墨”的发展。“油墨”的承载强度、耐久性等各项指标必须要符合标准。目前，还没有原位打印建筑的案例，公开的都只是厂房打印构件，运输现场安装。大型3D打印机与小的打印机本质上是一样的。目前采用的技术，喷口喷射出的“油墨”呈“Z”字形排列，层层叠加，垒成墙体。浇到“油墨”的地方，砂石材料会在一天内固化。之后，墙与墙之间还可像搭积木一样垒起来，再用钢筋水泥进行二次灌注连成一体。

目前，可以将水泥应用于3D打印，但是，由于水泥的凝结时间受限，应用于3D打印效果差强人意，同时，水泥的成本较高，应用于3D打印无形之中增加了生产成本。

发明内容

本发明提供了一种3D打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决目前将水泥应用于3D打印存在成本高、效果差的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种3D打印用非水泥基胶凝材料，包原料按质量份数计包括：粉煤灰210份至630份、矿渣粉630份至210份、硅灰30份至60份、硅酸锂50份至100份、聚羧酸减水剂4份至12份和氧化石墨烯0.2份至1份。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述粉煤灰的比表面积在450m²/kg以上；或/和，矿渣粉的比表面积在450m²/kg以上。

上述3D打印用非水泥基胶凝材料按下述方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂进行初步搅拌混合均匀后得到粉体混合料；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后将雾化颗粒喷至粉体混合料表面形成混合物；

第三步，将混合物进行离心分散得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过折流混掺后得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

上述3D打印用非水泥基胶凝材料按下述方法得到：按下述方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

上述使用超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟；或/和，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟；或/和，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种3D打印用非水泥基胶凝材料的制备方法，按下述步骤进行：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂进行初步搅拌混合均匀后得到粉体混合料；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后将雾化颗粒喷至粉体混合料表面形成混合物；

第三步，将混合物进行离心分散得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过折流混掺后得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：

上述3D打印用非水泥基胶凝材料的制备方法按下述步骤进行：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

上述使用超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟；或/和，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟；或/和，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。

本发明在实际使用时，可以根据实际需要的凝结时间和抗压强度选择合适的水胶比来满足实际生产不同的需求，因此本发明具有较广的应用范围，同时使用时具有较好的打印效果；同时，本发明中的粉煤灰、矿渣粉和硅灰均来源于工业废渣，相比于现有技术中水泥所用的原料，其成本更加低廉，并且能够进行废物再循环利用、变废为宝，同时，现有技术中的水泥通常采用烧制法得到，而本发明的制备方法手段为物理方法与化学方法的结合、不需要烧制，这样，能够有效降低生产成本和能耗，同时生产过程中，没有工业污染物的生成，因此，本发明是一种取材方便、原料成本以及生成成本低廉、制备方法简单、耗能低、环境友好型技术。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。本发明中所提到各种设备、化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现技术中公知公用的设备、化学试剂和化学用品；本发明中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数；本发明中的溶液若没有特殊说明，均为溶剂为水的水溶液，例如，盐酸溶液即为盐酸水溶液。

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1，该3D打印用非水泥基胶凝材料的原料按质量份数计包括：粉煤灰210份至630份、矿渣粉630份至210份、硅灰30份至60份、硅酸锂50份至100份、聚羧酸减水剂4份至12份和氧化石墨烯0.2份至1份。

这其中粉煤灰与矿渣粉是活性粉细料，他们在硅酸锂的激发下会发生水化反应，生成凝胶状的水化产物起到胶结作用，其反应程度的高低，反应速度的快慢完全取决于硅酸锂的浓度和用量的多少，这就使得这种胶凝材料的初终凝时间和早期强度达到“可控”的状态，另一方面，粉煤灰和矿渣粉由于其内在的化学成分不同，颗粒形态不同，使得其在胶凝材料体系中的作用也不尽相同，矿渣粉中氧化钙含量高，水化反应剧烈，反应速度快，对强度的贡献高，但本身收缩较大，易造成裂缝，而粉煤灰的主要化学成分是二氧化硅和三氧化二铝，所以其反应程度不如矿渣粉充分，且反应速度较慢，但其具有较好的抗裂性能，将二者复合后会获得很好的叠加效应，是胶凝材料体系即能拥有较高的强度又能获得良好的抗裂性能；混凝土中大石、小石、砂子按照最优比例可以形成一条最大密实曲线，而胶凝材料一样有其最优比例，目前通过研究发现矿渣粉、粉煤灰颗粒的直径在0.5微米至10微米之间，但由于矿渣粉、粉煤灰等掺合料早期水化速度慢，不足以及时形成水化产物填充满孔隙，造成混凝土早期强度低、易被侵蚀物质渗入，并由此造成质量缺陷，要想解决这个问题必须使用水化速度较快的非晶体结构活性掺合料，这样就要求其细度达到纳米级，所以本发明加入硅灰，将其加入胶凝材料中这样就形成了一条起自100纳米终于100微米的微集料曲线，本发明还通过大量的实验研究，运用激光粒度仪等先进设备最终形成了基于微集料曲线的各种掺合料的比例；聚羧酸减水剂和氧化石墨烯作为功能性辅助材料可以使这种胶凝材料具有良好的流动度和流动度保持性，较高的小时承载能力和较高的粘结强度；其中，聚羧酸减水剂主要使本发明的胶凝材料具有良好的施工性，并能降低水胶比，提高混凝土的密实度和耐久性；而氧化石墨烯则能明显提高混凝土的韧性及强度，有利于3D打印材料的成型，不会再制备物品时，发生塌落现象。

实施例2，该3D打印用非水泥基胶凝材料的原料按质量份数计包括：粉煤灰210份或630份、矿渣粉630份或210份、硅灰30份或60份、硅酸锂50份或100份、聚羧酸减水剂4份或12份、氧化石墨烯0.2份或1份。

实施例3，作为上述实施例的优化，粉煤灰的比表面积在450m²/kg以上；或/和，矿渣粉的比表面积在450m²/kg以上。

实施例4，作为上述实施例的优化，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂进行初步搅拌混合均匀后得到粉体混合料；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后将雾化颗粒喷至粉体混合料表面形成混合物；

第三步，将混合物进行离心分散得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过折流混掺后得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

实施例5，作为实施例4的优化，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

实施例6，作为实施例4和实施例5的优化，超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟。

实施例7，作为实施例4、实施例5和实施例6的优化，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟。

实施例8，作为实施例4、实施例5、实施例6和实施例7的优化，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。

实施例9，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰210份、矿渣粉630份、硅灰30份、硅酸锂50份、聚羧酸减水剂4份、氧化石墨烯0.2份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW的旋转机械，形成1200r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表1所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

实施例10，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰630份、矿渣粉210份、硅灰60份、硅酸锂100份、聚羧酸减水剂12份、氧化石墨烯1份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表2所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

实施例11，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰420份、矿渣粉420份、硅灰45份、硅酸锂75份、聚羧酸减水剂8份、氧化石墨烯0.6份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用5KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成30微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用2KW的旋转机械，形成1400r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表3所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

实施例12，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰210份、矿渣粉630份、硅灰30份、硅酸锂50份、聚羧酸减水剂4份、氧化石墨烯0.2份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物，其中，超声波进行分散的超声波频率为50kHz、时间为80分钟；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒，其中，初步搅拌混合的时间为8分钟；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米的雾化颗粒，然后在雾化喷射速率不小于2.6L/min的条件下喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW的旋转机械，形成1200r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表4所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

实施例13，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰630份、矿渣粉210份、硅灰60份、硅酸锂100份、聚羧酸减水剂12份、氧化石墨烯1份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物，其中，超声波进行分散的超声波频率为100kHz、时间为60分钟；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒，其中，初步搅拌混合的时间为5分钟；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成1 50微米的雾化颗粒，然后在雾化喷射速率不小于2.6L/min的条件下喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用3KW的旋转机械，形成1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表5所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

实施例14，该3D打印用非水泥基胶凝材料按下述制备方法得到：第一步，按质量份数计分别称取原料：粉煤灰420份、矿渣粉420份、硅灰45份、硅酸锂75份、聚羧酸减水剂8份、氧化石墨烯0.6份；

第二步，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物，其中，超声波进行分散的超声波频率为75kHz、时间为70分钟；

第三步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用5KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒，其中，初步搅拌混合的时间为7分钟；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后在雾化喷射速率不小于2.6L/min的条件下喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第四步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用2KW的旋转机械，形成1500r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第五步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。将根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料与骨料（细砂）和水进行配比混合后，进行凝结时间和力学性能的测试，测量结果如表6所示，其中水胶比为所用水的量与3D打印用非水泥基胶凝材料的量之间的比值。

由表1至表6的数据可以看出，根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料具有较宽的初凝时间和终凝时间，说明根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料的凝结时间可以根据具体的情况调节凝结时间的任意自由度大，同时可以看出，根据本发明实施例得到的3D打印用非水泥基胶凝材料的2h抗压强度和28天抗压强度均较好；实际的凝结时间与水胶比呈显著的正比关系，而抗压强度与水胶比呈显著的反比关系，因此，可以根据实际需要的凝结时间和抗压强度选择合适的水胶比来满足实际生产不同的需求，说明本发明应用范围广，同时使用时具有较好的打印效果。

进一步的，本发明中的粉煤灰、矿渣粉和硅灰均来源于工业废渣，相比于现有技术中水泥所用的原料，其成本更加低廉，并且能够进行废物再循环利用、变废为宝，同时，现有技术中的水泥通常采用烧制法得到，而本发明的制备方法手段为物理方法与化学方法的结合、不需要烧制，这样，能够有效降低生产成本和能耗，同时生产过程中，没有工业污染物的生成，因此，本发明是一种取材方便、原料成本以及生成成本低廉、制备方法简单、耗能低、环境友好型技术。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (10)

1.一种3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于原料按质量份数计包括：粉煤灰210份至630份、矿渣粉630份至210份、硅灰30份至60份、硅酸锂50份至100份、聚羧酸减水剂4份至12份和氧化石墨烯0.2份至1份。

2.根据权利要求1所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于粉煤灰的比表面积在450m²/kg以上；或/和，矿渣粉的比表面积在450m²/kg以上。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于按下述方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂进行初步搅拌混合均匀后得到粉体混合料；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后将雾化颗粒喷至粉体混合料表面形成混合物；

第三步，将混合物进行离心分散得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过折流混掺后得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

4.根据权利要求1或2所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于按下述方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

5.根据权利要求3所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于按下述方法得到：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

6.根据权利要求3所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于使用超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟；或/和，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟；或/和，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。

7.根据权利要求4或5所述的3D打印用非水泥基胶凝材料，其特征在于使用超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟；或/和，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟；或/和，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。

8.一种根据权利要求1或2所述的3D打印用非水泥基胶凝材料的制备方法，其特征在于按下述步骤进行：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂进行初步搅拌混合均匀后得到粉体混合料；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后将雾化颗粒喷至粉体混合料表面形成混合物；

第三步，将混合物进行离心分散得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过折流混掺后得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

9.根据权利要求8所述的3D打印用非水泥基胶凝材料的制备方法，其特征在于按下述步骤进行：第一步，分别称取各原料，将称取好的聚羧酸减水剂和氧化石墨烯混合均匀，然后，使用超声波分散后形成氧化石墨烯和聚羧酸减水剂的液体插层复合物；

第二步，使用连续混合机，将称取好的粉煤灰、矿渣粉、硅灰和硅酸锂按顺序投入物料输送预混合仓内，然后使用3KW至7KW的搅拌机械，在预混合仓内将各粉料进行初步搅拌混合后得到粉体混合颗粒；与此同时，将第一步得到的液体插层复合物采用雾化喷头雾化成10微米至50微米的雾化颗粒，然后喷入预混合仓顶部空气中，使雾化颗粒均匀附着于粉体混合颗粒表面形成混合物；

第三步，将混合物从预混合仓底部落至离心旋转分散盘上，离心旋转分散盘使用1KW至3KW的旋转机械，形成1200r/min至1800r/min的转速，使混合物通过其边缘、底部小孔随机的分洒在圆柱形仓体内，得到粉料；

第四步，粉料在重力作用下，经过曲道折流掺混构件导流，对此改变其运动方向、折流混掺、最后由底部出口排出，得到3D打印用非水泥基胶凝材料。

10.根据权利要求8或9所述的3D打印用非水泥基胶凝材料的制备方法，其特征在于使用超声波进行分散的超声波频率为50kHz至100kHz、时间为60分钟至80分钟；或/和，初步搅拌混合的时间为5分钟至8分钟；或/和，雾化喷头的雾化喷射速率不小于2.6L/min。