CN107619243A

CN107619243A - 一种用于建筑3d打印的水泥基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107619243A
Application number: CN201710855072.8A
Authority: CN
Inventors: 刘培善; 李进; 高凌云
Original assignee: Nanjing Wing Digital Digital Additive Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Nanjing Wing Digital Digital Additive Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-01-23

Abstract

本发明公开了一种用于建筑3D打印的水泥基环保复合材料，包括占材料总质量25%‑35%的水泥，2%‑8%的增强流变材料，40%‑60%的石英砂，0.2‰‑2‰的拌合物改善材料，0.1%‑0.2%的减水剂以及8%‑14%d的伴和水，0.05%‑0.1%的纤维，0%‑5%的珍珠岩，用建筑垃圾破碎粉料代部分石英砂；通过现场伴制以及在打印末端加入速凝剂、增稠流变剂等直接送入建筑3D打印机中进行3D建筑打印机施工；本发明能够大量应用建筑垃圾和工业废料，成本低且环保，材料强度成本和成型时间均可灵活控制，可用于不同环境场景和需求下的3D普通建筑以及景观建筑打印，满足不同条件下建筑强度的效率的需求，极大的促进了建筑3D打印技术的发展和推广应用。

Description

一种用于建筑3D打印的水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于建筑3D打印的水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；与传统建筑技术相比，3D打印建筑技术的优势体现在：速度可比传统建筑技术快10倍以上；可以制造出传统方式很难建造的复杂多样化建筑，且无需使用模板，降低了建筑成本；不需数量庞大的建筑工人，降低了施工中的安全风险；并且减少了废弃副产品，可以有效的利用建筑材料，大大减少水泥需求量，同时可减少建筑垃圾，具有低碳、绿色、环保的特点。

由于建筑物自身的特点，建筑物在打印制造过程中及制造完成后，对所用材料的施工性能、力学性能、功能性、耐久性以及经济性等有特定的要求，就目前情况而言，水泥混凝土依然是制造建筑物的首选，但由于打印建筑采用无模板、挤出并叠加成型的施工方式，对建筑材料的性能提出了更高的要求，传统的水泥混凝土并不适合用作3D打印建筑材料。

首先打印所用水泥基材料须具有良好的可挤出性，利用自密实性可以挤出打印连续条，可输送性能能确保打印材料在管道中连续传输；另外配置浆体中颗粒大小由打印头的大小决定，应严格限制大颗粒集料的出现，以防打印过程中发生堵塞；由于3D打印技术不同于传统的施工方式，与传统水泥混凝土相比，对3D打印混凝土提出了更高、更全面地要求，性能也发生了巨大变化，因此为适应3D打印技术在建筑中的应用，首要解决的问题是制备出符合3D打印建筑技术需要的具有良好工作性能、可建造性能、力学性能和耐久性能的打印水泥基材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种用于建筑3D打印的水泥基复合材料及其制备方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：提供一种用于建筑3D打印的水泥基环保复合材料，其各组分及组分质量百分比如下：

水泥：30%-35%

石英砂：50%-60%

增强流变材料：2%-5%

伴和物物理性能改善材料0.02%-0.3%

减水剂：0.1%-0.2%

拌和水：7%-9%

缓凝剂：0.03%-0.1%

抗裂纤维：0.05%-0.1%

用于替代石英砂的建筑垃圾破碎料50%-60%

珍珠岩：10%-30%。

本发明的进一步限定技术方案；

进一步的，前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述水泥包括快硬流铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥，其中硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比为5%-10%。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述石英砂为粒径0.6mm-1.2mm的筛分后鹅卵石破碎砂。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述增流变材料包括纳米级高岭土、硅灰、膨润土、粉煤灰等工业固体废弃物。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述拌合物物理性能改善材料由淀粉醚、速凝剂和引气剂组成，所述速凝剂是占打印耗材总质量0.5%-1%的碳酸钠。所述引气剂是占打印耗材总质量0.2%-0.4%的皂角苷类水溶型引气剂。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述减水剂是聚羚酸系高效减水剂或萘系减水剂。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述缓凝剂是葡萄糖酸钠。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述抗裂纤维是聚丙烯短纤维。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述用于破碎料是由建筑场拆迁建造所产生的建筑垃圾经过破碎、烘干、筛分后的无机破碎料。

前述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，所述珍珠岩是筛分后1-3mm珍珠岩粉粒。

本发明的有益效果是：

1.本发明中大量应用建筑垃圾、工业废弃料，能够有效减少垃圾堆放造成的环境污染；成本极低且不造成二次污染；

2.本发明通过纳米材料和高分子材料等增流变材料的应用使材料浆体的触变性大大提高，从而是打印时及时需要比较长的凝结时间也可以做到材料的多层堆积，同时改善了层与层之间的密实度与粘结强度；

3.本发明通过调节速凝剂和缓凝剂的掺量可使拌合物凝结时间在5min-2h之间灵活变化；

4.本发明通过引气剂和减水剂的应用使材料拌合物在打印时有较好的流动性和泵送性，能够满足转动性、挤出型等不同3D打印机的打印需要；

5.利用本发明的符合材料打印成型后3天能够达到45-55MPa的抗压强度；6-9MPa抗折强度；28天能够达到55-70MPa抗压强度，9-13MPa的抗水强度。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种用于建筑3D打印的水泥基环保复合材料，其各组分及组分质量百分比如下：

普通硅酸盐水泥32%，流铝酸盐水泥2%，石英砂50%，高岭土2%，硅灰2%，聚羚酸高效减水剂0.15%，淀粉醚0.02，碳酸钠0.5%，聚丙烯纤维0.08%，拌合水11.25%。

上述3D打印材料制备方法为将以上除淀粉醚外纤维和粉状原料混合搅拌均匀，加水后加入淀粉醚，搅拌至打印现场所需稠度即可泵送加入3D打印机料斗中，并在料斗末端供料器中加入碳酸钠，二次搅拌后打印施工。

对本实施例3D打印水泥基环保复合材料物理性能进行检测，检测结果如下：初凝时间20min，终凝时间32min。立方体抗压强度R_3d=55MPa，R_28d=67MPa，抗折强度R_3d=7.6MPa，R_28d=11.3Mpa。

实施例2

普通硅酸盐水泥35%，流铝酸盐水泥2%，石英砂41.7%，高岭土2%，硅灰5%，聚羚酸高效减水剂0.2%，引气剂0.3%，聚丙烯纤维0.15%，膨润土0.5%，拌合水13.15%。

对本实施例3D打印水泥基环保复合材料物理性能进行检测，检测结果如下：初凝时间45min,终凝时间68min，抗压强度R_3d=56.5MPa，R_28d=69MPa，抗折强度R_3d=8.2MPa,R_28d=12.1MPa

实施例3

普通硅酸盐水泥28%，硫铝酸盐水泥5%，石英砂42%，高岭土1.5%，硅灰5%，聚羚酸高效减水剂0.25%，聚丙烯纤维0.05%，珍珠岩2.5%，粉煤灰3.7%，拌合水12%，初凝时间30min，终凝时间45min。立方体抗压强度R_3d=40.5MPa，R_28d=52.5MPa，抗折强度R_3d=6.5MPa，R_28d=7.8MPa

实施例4

普通硅酸盐水泥36%，硫铝酸盐水泥4%，石英砂18%，高岭土1.5%，硅灰4.5%，聚羚酸高效减水剂0.3%，淀粉醚0.01%，建筑垃圾破碎粉料20%，聚丙烯纤维0.2%，硫酸钠0.8%，葡萄糖酸钠0.05%，拌合水14.64%，初凝时间20min，终凝时间32min。立方体抗压强度R_3d=32MPa，R_28d=44.5MPa，抗折强度R_3d=6MPa，R_28d=7.1MPa。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种用于建筑3D打印的水泥基环保复合材料，其各组分及组分质量百分比如下：

水泥：30%-35%

石英砂：50%-60%

增强流变材料：2%-5%

伴和物物理性能改善材料0.02%-0.3%

减水剂：0.1%-0.2%

拌和水：7%-9%

缓凝剂：0.03%-0.1%

抗裂纤维：0.05%-0.1%

用于替代石英砂的建筑垃圾破碎料50%-60%

珍珠岩：10%-30%。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥包括快硬流铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥，其中硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比为5%-10%。

3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述石英砂为粒径0.6mm-1.2mm的筛分后鹅卵石破碎砂。

4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述增流变材料包括纳米级高岭土、硅灰、膨润土、粉煤灰等工业固体废弃物。

5.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述拌合物物理性能改善材料由淀粉醚、速凝剂和引气剂组成，所述速凝剂是占打印耗材总质量0.5%-1%的碳酸钠。

6.所述引气剂是占打印耗材总质量0.2%-0.4%的皂角苷类水溶型引气剂。

7.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述减水剂是聚羚酸系高效减水剂或萘系减水剂。

8.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述缓凝剂是葡萄糖酸钠。

9.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述抗裂纤维是聚丙烯短纤维。

10.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述用于破碎料是由建筑场拆迁建造所产生的建筑垃圾经过破碎、烘干、筛分后的无机破碎料。

11.根据权利要求1所述的一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，其特征在于：所述珍珠岩是筛分后1-3mm珍珠岩粉粒。