CN108178582B - 一种适用于3d打印的分层仿生建筑构件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于3D打印的分层建筑构件及其制备方法，该建筑构件由混凝土分层浇筑而成，所述混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥590‑600份、石英砂470‑480、粉煤灰710‑720、减水剂3‑5份、水320‑330份、超高分子量聚乙烯纤维15‑20份。制备时，将干粉加入搅拌机中搅拌混合均匀，再将水加入搅拌机进行浆体搅拌，然后加入聚乙烯纤维搅拌，然后分层浇筑成型。本发明采用分层浇筑，在层与层之间设置分隔层，从而实现层与层之间粘结‑滑移的调节。与现有技术相比，本发明分层梁的抗弯强度高，弯曲变形能力明显提高，可以实现分层结构变形中裂纹偏转和分叉，具有良好的变形能力和耗能性能，可以适用于包括建筑3D打印在内的分层建造方式。

Description

一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料和3D打印技术领域，尤其是涉及一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件及其制备方法。
背景技术
传统钢筋混凝土结构面临着劳动力成本上升、复杂的建造要求等问题，结构形式和建造方式亟待新的解决方案。新型3D打印建筑因其快速成型、劳动力使用极低、造型多变和恶劣环境适应性强等优点，备受推崇，是最被看好的未来建筑形式之一。然而由于3D打印特殊的工艺操作流程，致使目前的3D打印建筑存在着材料和结构的双重缺陷，使该种颇具前景的建筑技术仍然停留的在轮廓和模型打印，而不能创造出可以抵抗各种使用荷载的真正3D打印建筑。一方面，无机3D打印材料缺乏强度和变形能力。为了提高材料的力学性能，研究者用玻璃纤维、钢纤维和聚乙烯醇(PVA)等纤维来增强3D打印的砂浆。从现有的文献来看，最具变形能力的PVA纤维水泥基复合材料的抗拉强度约为3MPa～7MPa，对应的拉伸应变为2％～4％，仍然低于建筑钢材的水平。由于力学性能的不足，普通的纤维混凝土仍然不能成为单独受力的结构材料。其次，分层建造技术将导致结构弱化，无法正常承载。另一方面，由于其打印成型的分层结构，造成层间材料不连续，使层间界面成为结构承载的薄弱环节，在不同形式的荷载作用下，分层打印的梁、墙、柱构件会出现层间的脱离或滑移，从而降低了构件的承载力和刚度。材料分层造成结构力学性能弱化，这是现阶段建筑3D打印仍然处于“轮廓打印”阶段的另一个原因。
公开号CN101874004A的专利公开了一种超高性能混凝土，包括100份波特兰水泥；50至200份具有D10至D90为0.063至5毫米的单粒度的砂子，或者砂子混合物，其中最细的砂子的D10至D90为0.063至1毫米且最粗的砂子的D10至D90为1至5毫米；0至70份平均粒子尺寸为15微米以下的粒状火山灰或非火山灰材料或其混合物；0.1至10份减水超增塑剂；10至30份水；以及相对于硬化的组合物的体积为0.5至5体积％的长径比为6至120的玻璃纤维。该专利采用玻璃纤维与聚乙烯醇纤维配制了一种高变形能力UHPC，其弯拉强度最大为20MPa，跨中挠度/跨度比达到仅为1/140，但该专利技术方案并未记载有单向拉伸试验，现已有研究表明，传统钢纤维UHPC混凝土，单向拉伸的变形能力均未能超过0.6％，使得该类材料仍然无法满足用于3D打印的特殊要求。
公开号CN107032669A的专利发明了一种打印建筑材料，由如下重量份的原料制备而成水渣超细粉5-10份、粉煤灰超细粉5-10份、水泥超细粉10-30份、尾矿微粉50-60份、尾矿渣50-60份、钢渣5-20份、减水剂5-10份、玻璃纤维10-30份、外加剂溶液20-80份和水30-60份，按比例称取或量取各个原料，加入混合泵搅拌混匀，即得打印建筑材料。其最大抗压强度达到63.2MP，但该专利技术方案并未记载有单向拉伸试验。其拉伸变形能力无从得知，且没有任何构件弯曲试验数据，说明该类材料也尚难以满足3D打印的特殊要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，该建筑构件是由混凝土分层浇筑而成的多层混凝土结构，所述混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥590-600份、石英砂470-480、粉煤灰710-720、减水剂3-5份、水320-330份、聚乙烯纤维15-20份。
优选的，所述建筑构件的层与层之间设置分隔膜，所述分隔膜设有若干长条形镂空，分隔膜的设置拟仿了贝壳珍珠母的分层结构，实现混凝土层之间相连与分隔，增强构件的弯曲延性。
优选的，所述分隔膜为塑料膜或纸质隔层，所述分隔膜使建筑构件的层与层之间的混凝土分隔与相连的比例为1:1-1:2，所述长条形镂空宽度为10-20mm，相邻10-20mm呈一字型平行排布。塑料膜可采用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯，分隔膜的宽度与分层浇筑的混凝土宽度相同。
优选的，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。
优选的，所述的石英砂的粒径为0.1-0.3mm，其SiO2的质量含量≥99％，粒径为0.1-0.3mm石英砂在体系中起到细骨料的作用，粒径过大将对纤维的分散造成影响。所述的粉煤灰为一级粉煤灰，比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。
优选的，所述的聚乙烯纤维的直径为10-45μm，长度为9-24mm，长径比＞200，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为2000MPa-3000MPa。聚乙烯纤维在本发明中起到增韧混凝土基体的作用，使该混凝土能够产生连续细而密的裂缝。纤维直径、长径比、断裂强度以及断裂延伸率，一方面受到纤维生产厂家的技术工艺控制，另一方面由理论计算以及试验调配得到，纤维长径比过大，容易造成纤维拉断，长径比不足，容易造成纤维拔出，两者均不能使混凝土产生连续的细密裂缝。
优选的，所述的减水剂为通用型萘磺酸盐减水剂、木质素磺酸盐、聚羧酸减水剂等，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。
一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方备料；
(2)将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(3)再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min；
(4)接着加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(5)将混合均匀的混合料转移至分层组装模具进行分层浇筑成型，养护、脱模，即制得产品。
步骤(5)具体步骤为：
(1)模板组装→摊铺混凝土→放入分隔膜→摊铺混凝土→放入分隔膜；
(2)重复步骤(1)，完成多层建筑构件的浇筑。
步骤(5)常温标准养护或高温水浴养护；其中，所述常温标准养护的条件为：控制温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护28天；所述高温水浴养护的条件为：控制温度为85-95℃，水浴养护48小时。
与普通建筑构件相比，本发明分层仿生建筑构件拟仿了贝壳珍珠母分层结构，在层与层之间预留分隔区和连通区，通过调节分隔区与连通区的比例，实现了贝壳珍珠母结构中的裂纹偏转和分叉，变形能力和耗能能力较传统建筑构件有明显提升，为建筑3D打印这类新型建造形式提供参考。具体优点为：
1)本发明分层仿生建筑构件具有超高的弯曲延性，在不明显降低抗弯强度的情况下，极限挠跨比提高至1/25-1/15，较整浇梁提升了一倍；
2)具有良好的微裂缝分布性能以及良好的耗能性能；
3)制备方法简单，原料来源广泛，经济成本低，是适用于3D打印这类新型的建造形式。
附图说明
图1-3为本发明实施例中分层仿生建筑构件的荷载挠度曲线；
图4为对比例采用整体浇筑的荷载挠度曲线；
图5、6为本发明建筑构件所用分隔膜的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。
实施例1
本实例中含有三个产品，其编号分别记为：无分隔-1，无分隔-2，无分隔-3。
本实施例采用的混凝土包括P.O.52.5普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂、自来水以及聚乙烯纤维。各组分如下表1所示，表中各部分为重量份含量，其中，表1中聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为400。
表1产品组分及重量份含量
标号 水泥 石英砂 粉煤灰 减水剂 水 聚乙烯纤维
无分隔-1 593 474 712 4 329 19
无分隔-2 593 474 712 4 329 19
无分隔-3 593 474 712 4 329 19
本实施例适用于3D打印的分层仿生建筑构件的制备过程如下：
(1)将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至分层组装模具进行分层浇筑成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
养护的条件为：控制温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护28天。
制得的产品的力学性能试验结果如表2所示，产品的荷载挠度曲线如图1所示。
表2产品力学性能试验测试结果
Figure BDA0001560391080000051
实施例2
本实例中含有两个产品，其编号分别记为：2连1分-1，2连1分-2。
本实施例中所用混凝土包括P.O.52.5普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂、自来水以及聚乙烯纤维。各组分如下表3所示，表中各部分为重量份含量，其中，表3中聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为400。
表3产品组分及重量份含量
标号 水泥 石英砂 粉煤灰 减水剂 水 聚乙烯纤维
2连1分-1 593 474 712 4 329 19
2连1分-2 593 474 712 4 329 19
本实施例中仿生建筑构件分层浇筑时，使用2连1分分隔，即分隔膜为沿梁长方向每隔20mm放置一段宽10mm的PVC窄条，如图5所示。
本实施例适用于3D打印的分层仿生建筑构件所用混凝土的制备过程如下：
(1)按重量份将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至分层组装模具进行分层浇筑成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得的产品的力学性能试验结果如表4所示，产品的荷载挠度曲线如图2所示。
表4产品力学性能试验测试结果
Figure BDA0001560391080000061
实施例3
本实例中含有两个产品，其编号分别记为1连1分-1，1连1分-2。
本实施例中所用混凝土包括PO.52.5普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂、自来水以及聚乙烯纤维，各组分如下表5所示，表中各部分为重量份含量，其中，表5中聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为400。
表5产品组分及重量份含量
标号 水泥 石英砂 粉煤灰 减水剂 水 聚乙烯纤维
1连1分-1 593 474 712 4 329 19
1连1分-2 593 474 712 4 329 19
本实施例中仿生建筑构件分层浇筑时，使用1连1分分隔，即分隔膜为在层间沿梁长方向每隔20mm放置一段宽20mm的PVC窄条，如图6。
本实施例适用于3D打印的分层仿生建筑构件所用混凝土的制备过程如下：
(1)按重量份将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至分层组装模具进行分层浇筑成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得的产品的力学性能试验结果如表6所示，产品的荷载挠度曲线如图3所示。
表6产品力学性能试验测试结果
Figure BDA0001560391080000062
Figure BDA0001560391080000071
将上述实施例1-3所制成的分层仿生建筑构件试件进行测试，所得荷载挠度曲线分别如图1-3。
对比例
与实施例1-3相比，绝大部分都相同，除了本对比例中是采用整浇，而未采用本发明所涉及的分层浇筑。
表7产品力学性能试验测试结果
Figure BDA0001560391080000072
将上述对比例所制成的分层仿生建筑构件试件进行测试，所得荷载挠度曲线如图4，可知产品的挠度远小于实施例。
实施例4-6
采用与实施例1相同的制备方法，混凝土包括复合硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂、自来水以及聚乙烯纤维。各组分如下表8所示，表中各部分为重量份含量，其中，实施例4聚乙烯纤维长度为9mm，长径比为300、实施例5聚乙烯纤维长度为11mm，长径比为400、实施例6聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为350。
实施例4中仿生建筑构件分层浇筑时，在层间沿梁长方向每隔10mm放置一段宽10mm的PVC窄条；实施例5在层间沿梁长方向每隔15mm放置一段宽10mm的PVC窄条；实施例6中仿生建筑构件分层浇筑时，在层间沿梁长方向每隔15mm放置一段宽20mm的PVC窄条。
表8产品组分及重量份含量
Figure BDA0001560391080000073
Figure BDA0001560391080000081
表9产品力学性能试验测试结果
Figure BDA0001560391080000082
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，该建筑构件是由混凝土分层浇筑而成的多层混凝土结构，所述混凝土包括以下组分及重量份含量：
水泥590-600份、石英砂470-480、粉煤灰710-720、减水剂3-5份、水320-330份、聚乙烯纤维15-20份；
所述建筑构件的层与层之间设置分隔膜，所述分隔膜设有若干长条形镂空。
2.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，所述分隔膜为塑料膜或纸质隔层，所述长条形镂空呈一字型平行排布，所述分隔膜使建筑构件的层与层之间的混凝土分隔与相连的比例为1:1-1:2。
3.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，所述的石英砂的粒径为0.1-0.3mm，其SiO2的质量含量≥99％，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，所述的聚乙烯纤维的直径为10-45μm，长度为9-24mm，长径比＞200，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为2000MPa-3000MPa。
6.根据权利要求1所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件，其特征在于，所述的减水剂为通用型萘磺酸盐减水剂、木质素磺酸盐或聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。
7.一种如权利要求1-6任一项权利要求所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配方备料；
(2)将水泥、石英砂、粉煤灰、减水剂加入搅拌机，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(3)再将水加入到搅拌机中，浆体搅拌1-2min；
(4)接着加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(5)将混合均匀的混合料转移至分层组装模具进行分层浇筑成型，养护、脱模，即制得产品。
8.根据权利要求7所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件的制备方法，其特征在于，步骤(5)具体步骤为：
(1)模板组装→摊铺混凝土→放入分隔膜→摊铺混凝土→放入分隔膜；
(2)重复步骤(1)，完成多层建筑构件的浇筑。
9.根据权利要求8所述的一种适用于3D打印的分层仿生建筑构件的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的养护方式为常温标准养护或高温水浴养护；其中，
所述常温标准养护的条件为：控制温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护28天；
所述高温水浴养护的条件为：控制温度为85-95℃，水浴养护48小时。
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