CN108129102B - 可3d打印的pva-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法 - Google Patents

可3d打印的pva-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可3D打印的PVA‑玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份；F级粉煤灰0.96～1.44份；石英砂0.64～0.96份，所述石英砂的粒径范围为0.075‑0.15mm；水0.29～0.43份；减水剂0.005‑0.01份；PVA纤维0.0017～0.0018份；玄武岩纤维0.0043‑0.0078份。该混凝土材料利用PVA纤维和玄武岩纤维来优化提升混凝土材料的强度和韧性，可打印性能高、强度高、成本低，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。

Description

可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种可3D打印的水泥基材料，更具体地涉及一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土材料。
背景技术
3D打印技术近几年在土木建筑领域获得显著的发展，3D打印桥梁、3D打印房屋等实例常有报道，这些在很大程度上证实了将3D打印技术运用到土木建筑领域的可行性。3D打印混凝土技术也因其具有的设计自由化、建造灵活性、施工速度快、人工成本低、自动化程度高、环境污染小等诸多优点而得到广泛的关注和推广。可3D打印的水泥基材料的制备是促进该技术工程实践应用的关键。然而，水泥混凝土的显著特点是极限延伸率低，脆性破坏明显，而且抗裂性差。因此，制备一种可3D打印的、高延展性、低脆性混凝土材料显得十分重要。
目前为止虽然已经有研究者配制出了可3D打印的高性能混凝土，如申请号为201610947297.1的中国专利公开一种用于3D打印的混凝土，申请号为201510375110.0的中国专利公开一种用于3D打印的高性能粉末混凝土，该混凝土中水泥为500-900份，水145-230份，相对含水量少，得到的混凝土为强度较高，脆性明显；同时，也有一些研究者公开了利用PVA纤维制备高延性水泥基材料的实验方法，如申请号为201310340652.5的中国专利公开一种橡胶-高延性水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料采用橡胶粉替代石英砂，有利于达到饱和开裂状态，增强变形能力，水泥为100份，水55-125份，用水量比较高，并不适用于3D打印。现有的水泥基材料一部分具备可3D打印的特点，一部分具备高韧性高延性的特点，但是没有一种水泥基材料同时具备这两种性能。
发明内容
本发明的目的是，提供一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法。该混凝土材料利用PVA纤维和玄武岩纤维来优化提升混凝土材料的强度和韧性，可打印性能高、强度高、成本低，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。该制备方法将先将粉末类、细砂类原材料进行搅拌，这样保证了原材料的均匀拌合；其后，水与添加剂也分两次加入，提高了混凝土的和易性；然后依次加入PVA纤维和钢纤维，降低了细砂对PVA纤维的磨损，最终得到能用在土木建筑工程中用于挤出型3D打印机的混凝土材料。材料标准养护完成后表现出优异的高韧性和高延性的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案进行实现：
一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份；
F级粉煤灰0.96～1.44份；
石英砂0.64～0.96份，所述石英砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.29～0.43份；
减水剂0.005-0.01份；
PVA纤维0.0017～0.0018份；
玄武岩纤维0.0043-0.0078份。
一种上述可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份、F级粉煤灰0.96～1.44份和石英砂0.64～0.96份倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；然后将水0.29～0.43份和减水剂0.005-0.01份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5-6分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；将PVA纤维0.0017～0.0018份和玄武岩纤维0.0043-0.0078份依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
一种上述可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的使用方法，该使用方法是：将上述混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，打印喷头出口截面积为64～110mm2，挤出速度为0.35-0.50m3/h，水平向打印速度为280-310m/h，然后进行打印。
本发明的有益效果是：
1)本发明混凝土配方中同时加入玄武岩纤维和PVA纤维，玄武岩纤维可显著提高混凝土材料的力学强度以及动态抗冲击性能等，聚乙烯醇(PVA)纤维的抗拉强度达1000MPa左右，弹性模量高达30GPa，伸长率可达5％-7％，具有良好地亲水性，拌合时易于分散，且与水泥混凝土基体粘结牢固；然而，单独参入玄武岩纤维其拉伸应变低，易发生脆性断裂，导致其对微裂纹的桥连作用不明显；将玄武岩纤维和PVA纤维混掺在一起，并配合本申请中配方含量的水泥及水，能显著提高混凝土材料的强度和韧性。
2)本发明制备方法中将水合减水剂的分成三份，分两次加入，使水泥和石英砂能充分混合能够避免后期加入纤维时出现结团现象，更有利于纤维很好地分散，PVA纤维与玄武岩纤维的混合使用显著增强了混凝土材料的韧性和延展性能，按照所述的原材料质量比例、制备方法养护28天后，相对于不掺入PVA和玄武岩纤维的素混凝土材料而言，本发明混凝土的抗压强度可增长8.97％，劈裂抗拉强度可增长42.0％，弯折强度可增长38.9％，尤其是极限挠度可增加635.89％。最重要的是，屈服挠度(极限挠度与起裂挠度之差，用于延性表征)可达到5.4～15.0mm，而常规的混凝土材料为脆性，屈服挠度为0。
3)本发明使用方法能够使所制备的3D打印混凝土材料表现出良好的流动性、凝结性、挤出性和建造性，打印过程通顺、无中断。3D打印混凝土材料的使用需要与3D打印机的工作参数相协调一致，3D打印混凝土材料的流动性、挤出性、建造性等需要与打印速度、打印喷头口径等相协调，方可保证良好的打印效果。
附图说明
图1为实施例1与对比例1混凝土材料的弯曲应力与跨中挠度的曲线关系；
图2为实施例2-4凝土材料的弯曲应力与跨中挠度的曲线关系；
图3为实施例1所述混凝土材料养护28天三点弯测试后的破坏形态；
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土材料，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份；
F级粉煤灰0.96～1.44份；
石英砂0.64～0.96份，所述石英砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.29～0.43份；
减水剂0.005-0.01份；
PVA纤维0.0017～0.0018份；
玄武岩纤维0.0043-0.0078份。
所述快硬性普通硅酸盐水泥的比表面积为348m2/kg，密度为3.0g/cm3，标准稠度用水量为25.9％，初凝时间为170min，终凝时间为210min，烧失量为3.5％，氧化镁含量为2.18％，3天抗折强度为5.7MPa，3天抗压强度为30MPa。快硬性水泥的使用是为了使混凝土获得较高的早起强度，有利于提高混凝土的建造性。
所述F级粉煤灰的烧失量为7.1％，含水率为0.1％，氧化钙含量为3.7％，需水量比为104％，细度为45μm，方孔筛筛余17.5％；
所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％，含固量为36.5％；
所述PVA纤维的长度为10～12mm，直径为35～45μm，抗拉强度为1500～1800MPa，弹性模量为40～45GPa；
所述玄武岩纤维的长度为10～12mm，直径为15～20μm，抗拉强度为4100～4840MPa，弹性模量为80～95GPa。
一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份、F级粉煤灰0.96～1.44份和石英砂0.64～0.96份倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；然后将水0.29～0.43份和减水剂0.005-0.01份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5-6分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；将PVA纤维0.0017～0.0018份和玄武岩纤维0.0043-0.0078份依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
本发明制备方法中将粉末、砂先进行混合，然后再将减水剂与水混合后再加入，能提高混凝土的混合均匀性，砂浆拌和完成后再将PVA纤维和玄武岩纤维依次投放能提高纤维的分散性，减少纤维抱团的现象，同时也减少了细砂对PVA纤维在搅拌过程中的磨损，有利于PAV纤维增强增韧效果的提升。
一种上述可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的使用方法，该使用方法是：将上述混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，打印喷头出口截面积为64～110mm2，挤出速度为0.35-0.50m3/h，水平向打印速度为280-310m/h，然后进行打印。
将按照本发明所提供的配方及制备方法得到的混凝土进行打印，对打印后的结构体进行相关性能测试，即流动性评价、建造性评价、抗压强度评价级抗弯强度评价，经测试使用本发明混凝土在满足所提出的打印要求的前提下可保证打印过程的顺利进行，且打印后所得结构体稳定结实。
实施例1：
本实施例可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥0.9份；
F级粉煤灰1.18份；
石英砂0.75份，所述石英砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.32份；
减水剂0.006份；
PVA纤维0.0017份；
玄武岩纤维0.0043份；
所述快硬性普通硅酸盐水泥的比表面积为348m2/kg，密度为3.0g/cm3，标准稠度用水量为25.9％，初凝时间为170min，终凝时间为210min，烧失量为3.5％，氧化镁含量为2.18％，3天抗折强度为5.7MPa，3天抗压强度为30MPa。快硬性水泥的使用是为了使混凝土获得较高的早起强度，有利于提高混凝土的建造性。
所述F级粉煤灰的烧失量为7.1％，含水率为0.1％，氧化钙含量为3.7％，需水量比为104％，细度为45μm，方孔筛筛余17.5％；
所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％，含固量为36.5％；
所述PVA纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600MPa，弹性模量为41GPa；
所述玄武岩纤维的长度为12mm，直径为18μm，抗拉强度为4600MPa，弹性模量为89GPa；
一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥0.9份，F级粉煤灰1.18份，石英砂0.75份，倒入80L行星式搅拌机中搅拌2分钟；然后将水0.32份和减水剂0.006份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2分钟；将PVA纤维0.0017份和玄武岩纤维0.0043份依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
本实施例可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的使用方法是：将上述混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，打印喷头出口截面积为78mm2，挤出速度为0.39m3/h，水平向打印速度为290m/h，然后进行打印。
本实施例混凝土在设定的3D打印机的参数条件下，可以被连续地、不发生堵塞的、能够竖向堆积起来而不坍塌地打印成一个结构体，展现了良好的可打印性能。同时参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对本实施例混凝土进行力学性能测试。测试结果为：抗压强度34.4MPa，劈裂拉伸强度3.7MPa，弯折强度7.5MPa，起裂挠度0.714mm，峰值挠度为12.143mm，极限挠度15.0mm，屈服变形14.286mm(极限挠度与起裂挠度之差，用于延性表征)。图1显示了本实施例中所述混凝土材料的弯曲应力和跨中挠度曲线，曲线有力地说明了本实施例混凝土材料的高韧性和高延性的特点。图3显示了本实施例混凝土经三点弯测试之后试件底部的裂纹分布情况，从图中可以清晰的看到多条平行的细小裂缝均匀地分布于试件的跨中部位，其破坏模式不同于传统脆性材料破坏表现出的单一贯穿裂缝，这也说明了所述PVA和玄武岩纤维的加入有效地改善了混凝土材料的脆性。
实施例2：
本实施例可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥1.1份；
F级粉煤灰1.36份；
石英砂0.84份，所述细砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.38份；
减水剂0.008份；
PVA纤维0.0018份；
玄武岩纤维0.0047份；
所述快硬性普通硅酸盐水泥的比表面积为348m2/kg，密度为3.0g/cm3，标准稠度用水量为25.9％，初凝时间为170min，终凝时间为210min，烧失量为3.5％，氧化镁含量为2.18％，3天抗折强度为5.7MPa，3天抗压强度为30MPa。快硬性水泥的使用是为了使混凝土获得较高的早起强度，有利于提高混凝土的建造性。
所述粉煤灰的烧失量为7.1％，含水率为0.1％，氧化钙含量为3.7％，需水量比为104％，细度为45μm方孔筛筛余17.5％；
所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％，含固量为36.5％；
所述PVA纤维的长度为12mm，直径为39μm，密度为1.3g/cm3，抗拉强度为1600MPa，弹性模量为41GPa；
所述玄武岩纤维的长度为12mm，直径为18μm，密度为2.65g/cm3，抗拉强度为4600MPa，弹性模量为89GPa；
一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥1.1份，F级粉煤灰1.36份，石英砂0.84份，倒入80L行星式搅拌机中搅拌2分钟；然后将水0.38份和减水剂0.008份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2分钟；将PVA纤维0.0018份和玄武岩纤维0.0047份依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
本发明可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的使用方法是：将上述混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，打印喷头出口截面积为95mm2，挤出速度为0.43m3/h，水平向打印速度为300m/h，然后进行打印。
本实施例混凝土在设定的3D打印机的参数条件下，可以被连续地、不发生堵塞的、能够竖向堆积起来而不坍塌地打印成一个结构体，展现了良好的可打印性能。同时参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对本实施例混凝土进行力学性能测试。测试结果为：抗压强度35.6MPa，劈裂拉伸强度3.9MPa，弯折强度8.4MPa，起裂挠度0.915mm，峰值挠度为11.25mm，极限挠度14.56mm，屈服变形13.645mm。图2显示了本实施例混凝土材料的弯曲应力和跨中挠度曲线，曲线有力地说明了本实施例混凝土材料具有高韧性和高延性的特点。
实施例3
除玄武岩纤维掺量调整为0.006份外，其他的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。打印测试结果显示：打印过程顺利进行，结构可成型。力学性能测试结果为：抗压强度31.9MPa，劈裂拉伸强度3.3MPa，弯折强度8.19MPa，起裂挠度0.9mm，峰值挠度为2.615mm，极限挠度7.85mm，屈服变形6.95mm。图2显示了本实施例混凝土材料的弯曲应力和跨中挠度曲线，测试结果显示本实施例混凝土具有一定的延性。
实施例4
除玄武岩纤维掺量调整为0.0075份外，其他的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。打印测试结果显示：打印过程可正常进行顺利，但纤维掺量的增加显著降低了材料的流动性和粘度，打印结构表现出一定的分层现象，但其可打印性能尚满足要求。力学性能测试结果为：抗压强度31.0MPa，劈裂拉伸强度3.5MPa，弯折强度7.9MPa，起裂挠度2.15mm，峰值挠度为7.54mm，极限挠度7.60mm，屈服变形5.45mm。图2显示了本实施例混凝土材料的弯曲应力和跨中挠度曲线，测试结果显示本实施例所述混凝土仍表现出一定的延性，要弱于实施例1-3中描述的混凝土材料，但最终表现出的延性仍远高于对比例1中所述的素混凝土。
对比例1
除PVA纤维和玄武岩纤维掺量调整为0份外，即不掺入任何纤维材料，其他的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。打印测试结果显示：打印过程可进行顺利，但混凝土材料流动性过强，打印结构成型效果差。力学性能测试结果为：抗压强度31.6MPa，劈裂拉伸强度2.6MPa，弯折强度5.4MPa，起裂挠度2.03mm，峰值挠度为2.03mm，极限挠度2.03mm，屈服变形0mm。图1显示了本对比例混凝土的弯曲应力和跨中挠度曲线，测试结果表现出很强的脆性特征，韧性较差。屈服变形为0mm，说明本对比例中材料的脆性特征明显。
上述实施例1-4与对比例1相比，本发明混凝土具有很好的屈服性能，即在保证强度的条件下具有较好的延性，本申请混凝土为一种高韧性的3D打印混凝土材料。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份；
F级粉煤灰0.96～1.44份；
石英砂0.64～0.96份，所述石英砂的粒径范围为0.075-0.15mm；
水0.29～0.43份；
减水剂0.005-0.01份；
PVA纤维0.0017～0.0018份；
玄武岩纤维0.0043-0.0078份；
该混凝土的使用方法是：将上述混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，打印喷头出口截面积为64～110mm2，挤出速度为0.35-0.50m3/h，水平向打印速度为280-310m/h，然后进行打印。
2.根据权利要求1所述的可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，其特征在于所述玄武岩纤维的含量为0.00043-0.00047份。
3.根据权利要求1所述的可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，其特征在于所述快硬性普通硅酸盐水泥的比表面积为348m2/kg，标准稠度用水量为25.9％，3天抗折强度为5.7MPa，3天抗压强度为30MPa；所述F级粉煤灰的需水量比为104％，细度为45μm，方孔筛筛余17.5％；所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％。
4.根据权利要求1所述的可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，其特征在于所述PVA纤维的长度为10～12mm，直径为35～45μm，抗拉强度为1500～1800MPa，弹性模量为40～45GPa；所述玄武岩纤维的长度为10～12mm，直径为15～20μm，抗拉强度为4100～4840MPa，弹性模量为80～95GPa。
5.一种权利要求1-4任一所述的可3D打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
按重量份数计，将快硬性普通硅酸盐水泥0.8～1.2份、F级粉煤灰0.96～1.44份和石英砂0.64～0.96份倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；然后将水0.29～0.43份和减水剂0.005-0.01份的混合物的2/3倒入搅拌机中搅拌5-6分钟；然后再将剩余的1/3的水和减水剂的混合物倒入搅拌机中搅拌2-3分钟；将PVA纤维和玄武岩纤维依次放入搅拌机中搅拌，即得到所述的混凝土。
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