CN108529968A - 一种用于3d打印的纤维混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于3d打印的纤维混凝土材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的纤维混凝土材料及其制备方法。所述纤维混凝土材料的原料组成为：水泥7.8‑8.4份；矿粉4.0‑6.7份；硅灰1.3‑1.7份；石英砂4.7‑7.7份；水2.3‑2.9份；减水剂0.2‑0.39份；缓凝剂0.0065‑0.0168份；触变剂0‑0.004份；纤维0.1‑0.2份。本发明提供的纤维混凝土材料具有合适的初凝时间和终凝时间、较高的抗压强度、抗折强度和韧性、良好的和易性和触变性，层与层之间能实现有效粘结，并且在堆积过程中不会发生变形和坍塌，可以做到针对工程需要而精准设计纤维混凝土材料的凝结和触变性能，可以满足不同的打印速度和结构施工的需求。

Description

一种用于3D打印的纤维混凝土材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种用于3D打印的纤维混凝土材料及其制备方法。
背景技术
在过去的二十年中，现场浇筑混凝土的传统方法已经逐渐被预制装配式混凝土所取代。人们不断寻求更自动化更便捷的建筑方式来减少劳动力和施工时间，提高建筑质量并减少施工对环境的影响。
3D打印作为一种增材制造技术，自诞生以来不断发展，已应用于多个领域。因为此技术具有无模、快速和精细成型的优点，近年来越来越多的被尝试应用于土木行业，被证实是更快更好地完成工程建设的新型建筑技术。但此项技术在建筑行业的应用和推广尚面临着诸多挑战，最关键之处就是打印材料设计及成型材料的性能和强度。
普通混凝土材料含有粒径较大的粗骨料，无法通过3D打印设备的进行泵送输出；普通混凝土材料只具有流动性，不具有触变性，无法满足3D打印结构竖直堆积成型的要求；普通混凝土材料初凝时间一般在2-3h以上，终凝时间在10-24h左右，也不能满足3D打印材料快速凝结成型的要求。所以现有混凝土材料不能直接应用于3D打印建造，需要基于3D打印对材料的要求进行研发和调整。
目前3D打印混凝土技术还处于探索阶段，国内外有一些成功的材料配合比设计。新加坡的Suvash Chandra Paul等人利用普通水泥、粉煤灰、硅灰、细砂、玻璃纤维等材料研制了具有良好触变性的3D打印材料，28d抗压强度在36-57MPa范围内。
中国专利CN107417204A公开了一种可3D打印的尾矿砂纤维混凝土及其制备、使用方法，使用42.5快硬性普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、空心玻璃微珠、石英砂、尾矿砂、聚丙烯纤维等原材料制成的混凝土材料3d抗压强度为36MPa，14d抗压强度为49.6MPa，28d抗压强度为54.6MPa；7d抗折强度为7.8MPa。
中国专利CN104310918A公布了一种用于3D打印技术的水泥基复合材料，利用复合水泥、无机粉料、尾矿砂、高分子聚合物、复合调凝剂、体积稳定剂等材料制成了3d抗压强度40-50MPa，28d抗压强度50-60MPa的3D打印混凝土。但现有研究并未涉及其成型过程中的触变性能，形塑能力和成型后实际结构的力学性能。
虽然现阶段研制出的材料工作性能上可以满足技术要求，但强度还处于普通混凝土的范围(<60Mpa)。由于3D打印逐层堆积的性质和打印施工的自动化设置，钢筋骨架的添加对整个快速施工设计增加技术障碍，仅使用普通强度的混凝土材料，能实现的结构型式十分有限。为了满足现代结构建造需求，亟待提升打印混凝土材料的强度和形塑能力，这也直接关系到该技术能否具有结构普适性和广泛实施性。
发明内容
本发明旨在提供一种用于3D打印的纤维混凝土材料及其制备方法，提供的纤维混凝土材料的强度高，延性好，空间成型和造型能力好，可以实现结构空间较大跨越；并且制备方法简单易行。
本发明提供如下技术方案：
一种用于3D打印的纤维混凝土材料，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
水泥7.8-8.4份；
矿粉4.0-6.7份；
硅灰1.3-1.7份；
石英砂4.7-7.7份；
水2.3-2.9份；
减水剂0.2-0.39份；
缓凝剂0.0065-0.0168份；
触变剂0-0.004份；
纤维0.1-0.2份。
所述水泥包括75-100％的硫铝酸盐水泥和0-25％的硅酸盐水泥，所述百分比是指重量百分比。
所述纤维混凝土材料的水胶比为0.14-0.22、水灰比为0.28-0.37；其中，水泥、矿粉和硅灰组成凝胶材料，水胶比是指水与凝胶材料的重量比；水灰比是指水与水泥的重量比。
所述水胶比和纤维的含量可以使纤维混凝土材料得到较高的抗压强度、抗折强度和韧性。
所述水灰比和触变剂的含量，可以控制纤维混凝土材料的触变性能和堆积叠放性能，保障施工稳定性和成型精度。
当触变剂的含量为0时，减水剂也有一定的黏聚效果，而且胶凝材料的比例较大，纤维混凝土材料会比较黏，同时纤维的含量较大，纤维混凝土材料的黏聚性更好。
所述缓凝剂的含量可以控制材料的凝结时间，以匹配不同打印速度和打印结构，调整范围为初凝时间20min-60min，终凝时间60min-120min。
纤维混凝土材料的凝结速度快，短期内就具有较高的强度和一定的造型能力。
进一步的，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
硫铝酸盐水泥8.0-8.4份；
矿粉5.0-6.5份；
硅灰1.5-1.7份；
石英砂5.0-6.0份；
水2.3-2.6份；
减水剂0.35-0.39份；
缓凝剂0.007-0.008份；
纤维0.10-0.20份；
其中，水胶比为0.14-0.18；水灰比为0.28-0.33。
进一步的，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
硫铝酸盐水泥8.1-8.4份；
矿粉5.4-6.7份；
硅灰1.5-1.7份；
石英砂4.9-6.1份；
水2.35-2.60份；
减水剂0.34-0.39份；缓凝剂0.0077-0.0084份；
纤维0.10-0.16份；
其中，水胶比为0.14-0.17；水灰比为0.28-0.32。
上述纤维混凝土材料的组成可以得到合适的初凝时间和终凝时间、较高的抗压强度、抗折强度和韧性、良好的和易性和触变性。
所述硅灰的平均粒径为0.1-0.3μm，比表面积为15000-28000m2·kg-1。
所述矿粉为S95级矿粉；S95级矿粉的活性较好。
所述纤维为聚乙烯醇纤维，长度为9-12mm。
所述聚乙烯醇纤维相比聚丙烯纤维，对纤维混凝土材料的流动性的影响较小，提高其强度；其长度为9-12mm，制备的纤维混凝土材料的韧性更好。
所述石英砂的粒径为35-140目。
所述石英砂的粒径影响纤维混凝土材料的强度，上述粒径可以提高纤维混凝土材料的强度。
所述减水剂选自聚羧酸系高效减水剂或萘系高效减水剂中的一种或组合。
所述聚羧酸系高效减水剂的减水率大于30％。
所述缓凝剂选自酒石酸、柠檬酸、或葡萄糖酸钠中的一种或至少两种的组合。
所述硫铝酸盐水泥为42.5硫铝酸盐水泥，所述硅酸盐水泥为42.5硅酸盐水泥。
所述触变剂选自淀粉醚或有机膨润土中的一种或组合。
本发明还提供一种纤维混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、矿粉、硅灰、石英砂、缓凝剂按比例称量后混匀得到固体粉料待用；
(2)将减水剂、水、纤维按比例称量后待用；
(3)在混匀的固体粉料中加入减水剂和75％的水，搅拌90-120s后，加入剩下25％的水，搅拌60-90s得到拌合物，所述百分比为重量百分比；
(4)将纤维加入步骤(3)得到的拌合物中，搅拌120-180s，即得到所述的混凝土。
所述步骤(1)中缓凝剂的含量为0.0065-0.0168份，步骤(4)得到的纤维混凝土材料的初凝时间20min-60min，终凝时间60min-120min。
所述步骤(2)中纤维含量为0.2份，步骤(4)得到的纤维混凝土材料的纤维体积含量1.5％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过提高水泥的含量、降低水胶比和提高纤维的含量，使纤维混凝土材料的强度显著提升，1天抗压强度为40-45MPa，3天抗压强度为57-62MPa，7天抗压强度为68-73MPa，28天抗压强度为80-85MPa；1天抗折强度为7.8-11.5MPa，3天抗折强度为9.3-12.5MPa，7天抗折强度为10.1-13MPa，28天抗折强度达12.5-14.5MPa。
2)本发明通过控制缓凝剂的含量，使纤维混凝土材料的初凝时间为20-60min，终凝时间为60-120min，可以满足3D打印技术在不同设备不同工程规模中的适用性。
3)本发明提供的纤维混凝土材料的流动度在160mm左右，和易性较好，可满足打印泵出和空间造型需求。
4)本发明通过添加和调整纤维含量，大幅度改善了纤维混凝土材料的弯曲韧度，改变构件抗折失效破坏形态。最佳纤维体积含量1.5％可使用于3D的纤维混凝土材料的最大弯曲耗能提升至1.97倍，弯曲失效耗时提升1.63倍。
5)通过提高纤维和凝胶材料的含量，使纤维混凝土材料的粘聚性十分优异，塑性和流动性均很好，有良好的出泵性能和粘结能力，在逐层打印堆积的过程中，不会出现坍塌现象，竖向变形小；层间粘结效果好，结构的整体性强。
6)原材料取材方便，制作过程无毒，绿色环保，对环境和生态没有害处。
附图说明
图1为本发明提供的纤维混凝土材料的制备方法的流程示意图；
图2为实施例1提供的纤维混凝土材料3D打印试件的剖面形态；
图3为3D打印实施例1提供的纤维混凝土材料制备的试件的触变和堆积稳定性的示意图；
图4为3D打印实施例1提供的纤维混凝土材料与普通纤维混凝土材料制备的试件的抗压试件破坏情况；
图5为3D打印实施例1提供的纤维混凝土材料与普通纤维混凝土材料制备的试件的抗折试件破坏情况；
图6为纤维混凝土材料的流动性(跳桌试验)对比分析；
图7为纤维混凝土材料的初凝时间和终凝时间的测试示意图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步解释本发明，这些实施例仅用于说明，并不以此来限定对本发明权利要求保护的范围。
本发明提供的用于3D打印的纤维混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、矿粉、硅灰、石英砂、缓凝剂按比例称量后混匀得到固体粉料待用；
(2)将减水剂、水、纤维按比例称量后待用；
(3)在混匀的固体粉料中加入减水剂和3/4的水，搅拌90-120s后，加入剩下1/4的水，搅拌60-90s得到拌合物；
(4)将纤维加入步骤(3)得到的拌合物中，搅拌120-180s，即得到所述的纤维混凝土材料。
参照标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB_T2419-2005)测试纤维混凝土材料的流动度，《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)测试纤维混凝土材料的初凝时间和终凝时间，《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)测试抗压强度和抗折强度。
纤维混凝土材料其中初凝时间和终凝时间的测试示意图分别如图7中的a和b所示。
纤维混凝土材料的流动性(跳桌试验)对比分析如图6所示，其中a-f分别为流动度130mm、160mm、175mm、195mm、253mm、300mm时的流动性；其状态分别为黏度过大，触变不良，流动差；黏聚良好，触变性好，保水性好；黏聚不良，触感较稀，泌水现象；未加纤维，粘聚性差，触感稀；未加纤维，粘聚性差，触感很稀；未加纤维，粘聚极差，触感很稀；说明流动度为160mm左右的纤维混凝土材料的和易性较好，含纤维的混凝土材料的黏聚性优于不含纤维的混凝土材料。
实施例1
按重量份数计，称取硫铝酸盐水泥8.1份，矿粉6.5份，硅灰1.6份，石英砂4.9份，水2.6份，聚羧酸减水剂0.34份，酒石酸缓凝剂0.0081份，纤维0.16份。
具体施工方式是将水泥、矿粉、硅灰、石英砂、缓凝剂按比例称量后混匀得到固体粉料待用。将减水剂、水、纤维按比例称量后待用。在混匀的固体粉料中加入减水剂和3/4的水，搅拌90-120s后，加入剩下1/4的水，搅拌60-90s。将纤维加入上一步得到的拌合物中，搅拌120-180s，即得到所述的混凝土。
制备的纤维混凝土材料的性能测试结果为：流动度为158mm；初凝时间27min，终凝时间47min；1天抗压强度45.83MPa，3天抗压强度62.86MPa，7天抗压强度68.67MPa，28天抗压强度80.42MPa；1天抗折强度11.61MPa，3天抗折强度12.50MPa，7天抗折强度13.00MPa，28天抗折强度14.04MPa。
3D打印纤维混凝土材料制备试件，试件的剖面形态如图2所示，完全不存在分层现象；试件的触变和堆积稳定性的如图3所示：其中3a为刚打印的试件，高度为17cm；3b为4h后打印的试件，高度仍为17cm。上述纤维混凝土试件与普通混凝土材料制备的试件的抗压试件破坏情况、抗折试件破坏情况分别如图4和图5所示：其中4a、4b为上述3D打印纤维混凝土材料制备的试件，4c、4d为普通混凝土材料制备的试件；5a为上述3D打印纤维混凝土材料制备的试件，5b为普通混凝土材料制备的试件。
实施例2
按重量份数计，称取硫铝酸盐水泥8.4份，矿粉6.7份，硅灰1.7份，石英砂5.0份，拌合水2.35份，聚羧酸减水剂0.39份，酒石酸缓凝剂0.0084份，纤维0.1份。
具体施工方式同实施例1。
制备的纤维混凝土材料的性能测试结果为：流动度为158mm；初凝时间28min，终凝时间45min；1天抗压强度43.52MPa，3天抗压强度60.57MPa，7天抗压强度73.85MPa，28天抗压强度85.61MPa；1天抗折强度8.02MPa，3天抗折强度10.76MPa，7天抗折强度12.97MPa，28天抗折强度12.90MPa。
实施例3
按重量份数计，称取硫铝酸盐水泥8.4份，矿粉5.4份，硅灰1.5份，石英砂6.1份，水2.45份，聚羧酸减水剂0.35份，酒石酸缓凝剂0.0077份，纤维0.1份。
具体施工方式同实施例1。
制备的纤维混凝土材料的性能测试结果为：流动度为158mm；初凝时间25min，终凝时间47min；1天抗压强度41.88MPa，3天抗压强度58.59MPa，7天抗压强度68.11MPa，28天抗压强度84.81MPa；1天抗折强度7.84MPa，3天抗折强度9.36MPa，7天抗折强度10.16MPa，28天抗折强度12.50MPa。
本发明提供的纤维混凝土材料具有合适的初凝时间和终凝时间、较高的抗压强度、抗折强度和韧性、良好的和易性和触变性，层与层之间能实现有效粘结，并且在堆积过程中不会发生变形和坍塌，可以做到针对工程需要而精准设计纤维混凝土材料的凝结和触变性能，可以满足不同的打印速度和结构施工的需求。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的纤维混凝土材料，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
水泥 7.8-8.4份；
矿粉 4.0-6.7份；
硅灰 1.3-1.7份；
石英砂 4.7-7.7份；
水 2.3-2.9份；
减水剂 0.2-0.39份；
缓凝剂 0.0065-0.0168份；
触变剂 0-0.004份；
纤维 0.1-0.2份。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，所述水泥包括75-100％的硫铝酸盐水泥和0-25％的硅酸盐水泥，所述百分比是指重量百分比。
3.根据权利要求2所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，所述纤维混凝土材料的水胶比为0.14-0.22、水灰比为0.28-0.37；其中，水泥、矿粉和硅灰组成凝胶材料，水胶比是指水与凝胶材料的重量比；水灰比是指水与水泥的重量比。
4.根据权利要求3所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
硫铝酸盐水泥 8.0-8.4份；
矿粉 5.0-6.5份；
硅灰 1.5-1.7份；
石英砂 5.0-6.0份；
水 2.3-2.6份；
减水剂 0.35-0.39份；
缓凝剂 0.007-0.008份；
纤维 0.10-0.20份；
其中，水胶比为0.14-0.18；水灰比为0.28-0.33。
5.根据权利要求3所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，按重量份数计，所述纤维混凝土材料的原料组成为：
硫铝酸盐水泥 8.1-8.4份；
矿粉 5.4-6.7份；
硅灰 1.5-1.7份；
石英砂 4.9-6.1份；
水 2.35-2.60份；
减水剂 0.34-0.39份；
缓凝剂 0.0077-0.0084份；
纤维 0.10-0.16份；
其中，水胶比为0.14-0.17；水灰比为0.28-0.32。
6.根据权利要求1所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，所述纤维为聚乙烯醇纤维，长度为9-12mm。
7.根据权利要求1所述的用于3D打印的纤维混凝土材料，其特征在于，所述石英砂的粒径为35-140目。
8.一种制备权利要求1-7中任一项所述的用于3D打印的纤维混凝土材料的方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、矿粉、硅灰、石英砂、缓凝剂按比例称量后混匀得到固体粉料待用；
(2)将减水剂、水、纤维按比例称量后待用；
(3)在混匀的固体粉料中加入减水剂和75％的水，搅拌90-120s后，加入剩下25％的水，搅拌60-90s得到拌合物，所述百分比为重量百分比；
(4)将纤维加入步骤(3)得到的拌合物中，搅拌120-180s，即得到所述的纤维混凝土材料。
9.根据权利要求8所述的用于3D打印的纤维混凝土材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中缓凝剂的含量为0.0065-0.0168份，步骤(4)得到的纤维混凝土材料的初凝时间20min-60min，终凝时间60min-120min。
10.根据权利要求8所述的用于3D打印的纤维混凝土材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中纤维含量为0.2份，步骤(4)得到的纤维混凝土材料的纤维体积含量1.5％。
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