CN108623268A - 一种基于3d打印性能的自保温承重混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，由以下组分制备得到：快硬硫铝酸盐水泥600‑800份；钢渣粉90‑130份；粉煤灰40‑80份；硅灰130‑180份；石英砂2000‑3000份；速凝剂0‑5份；缓凝剂0‑8份；减水剂4‑7份；乳胶粉8‑13份；纤维素醚0.4‑0.8份；水玻璃2‑5份；水250‑300份；聚丙烯纤维6‑10份；玻化微珠。本发明提供的3D打印保温混凝土既具有良好的保温性能，又可以适应不同打印速度，流动性好，可塑性高，强度高，耐久性好，打印性能好，为建筑工程的保温处理提供了新的方法，极大地降低了人工和经济成本，有利于推动3D打印混凝土技术更进一步的发展。

Description

一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土工程以及建筑保温工程技术领域，尤其涉及一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土及其制备方法。
背景技术
3D打印(3DP)，快速成型技术的一种，它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。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。由于该技术具有绿色环保，经济高效等特点，在近些年，3D打印技术开始在建筑领域广泛应用，尤其是关于3D打印混凝土材料的相关研究，已经迈入了一个新阶段。
但是，随着3D打印混凝土研究的不断深入，该技术在实际应用中的缺点逐渐暴露出来，用于3D打印的混凝土材料的配比影响着混凝土材料的各种性质，如流动性、凝结时间、硬化强度等，很难调试到与打印速度、打印结构尺寸、打印时间等相一致。如中文文献《水泥基建筑3D打印材料的制备及应用研究》(蔺喜强，混凝土，2016.6)公开了现有的一般混凝土材料凝结时间长，通常的初凝时间6-10h，终凝时间24小时左右，不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求；且混凝土材料一般呈流动性，无法满足3D打印过程中的竖直堆积性能，所以无法作为3D打印材料使用。
而建筑的保温工程虽已广泛应用于现代各种房屋建筑，但是由于外墙保温材料是通过预制保温材料后将其贴于墙面，不能最大程度上起到省时省材的建筑目标。此外，目前市场上的外墙保温板很难在单位质量、导热系数、可燃性能、粘结强度等方面达到平衡。因此，如能在墙体本身就做好保温措施，便会省去外覆盖保温层的预制粘贴步骤，克服外墙保温板制作的技术难关，起到省时省材的效果。
虽然现有技术公开了能够用于3D打印的混凝土，比如申请号为201510375110.0的中国专利公开了一种用于3D打印的高性能粉末混凝土，然而，现有技术均未涉及用于3D打印混凝土的保温性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，该混凝土保温性能良好，而且可以适应不同打印速度，可塑性高，强度高，耐久性好，打印性能好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，由包括以下重量份数和体积份数的组分制备得到：
快硬硫铝酸盐水泥600-800份；钢渣粉90-130份；粉煤灰40-80份；硅灰130-180份；石英砂2000-3000份；速凝剂0-5份；缓凝剂0-8份；减水剂4-7份；乳胶粉8-13份；纤维素醚0.4-0.8份；水玻璃2-5份；水250-300份；聚丙烯纤维6-10份；玻化微珠，所述玻化微珠的体积为胶凝材料体积的0.8-1.2倍，所述胶凝材料包括所述快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰。
优选的，所述快硬硫铝酸盐水泥的比表面积为380-450m2/kg，强度等级为42.5。
优选的，所述钢渣粉的比表面积为350-400g/cm2。
优选的，所述粉煤灰为比表面积为280-330g/cm2的II级粉煤灰。
优选的，所述硅灰的比表面积为18000-22000g/cm2。
优选的，所述玻化微珠为容重为60-80kg/m3的II级玻化微珠。
优选的，所述速凝剂为碳酸锂、氢氧化锂或硫酸钠；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼酸或四硼酸钠。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐减水剂、奈系减水剂或三聚氰胺减水剂。
优选的，所述聚丙烯纤维的长度为8-15mm。
本发明提供了上述技术方案所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉，粉煤灰、硅灰、玻化微珠和聚丙烯纤维混合，得到混合固体物料；
将石英砂与所述混合固体物料混合，得到固体物料；
将减水剂、乳胶粉、纤维素醚、水玻璃、速凝剂、缓凝剂和水混合，得到混合水溶液；
将所述混合水溶液与所述固体物料混合，得到混凝土。
本发明提供了一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，与传统3D打印混凝土技术和外墙保温工程相比：
本发明在混凝土材料中加入保温材料(玻化微珠)，增加了混凝土的保温性能，可以省去二次保温工程预制保温板，粘贴保温板所消耗的人力、物力和财力，最大程度的起到经济省材的效果。
本发明在混凝土材料中加入胶凝材料(快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰)，并通过控制保温材料和胶凝材料的合理配比，在起到保温效果的同时，强度达到了建筑强度的标准。经过测试，本发明打印出的成品2h强度可达到8.7Mpa，3天强度达到43.5Mpa，符合规范要求。
本发明通过在原材料中添加速凝剂和缓凝剂以适应3D打印的速度，可以应用于不同的环境条件。如高温作业下(30℃以上)，混凝土材料初凝时间为18-30分钟，加入3份缓凝剂可以减缓其初凝时间至25-40分钟，为能较长时间贮存在搅拌器以及顺利打印留下充足时间。
本发明在混凝土原材料中加入水玻璃(Na2SiO3溶液)，可以改善混凝土材料的和易性，很大程度上提高了3D打印混凝土的完整性和稳定性，尤其是增加了材料的粘结性能，相对于现有不添加水玻璃的混凝土材料，本发明的混凝土的28天粘结抗拉强度明显加强。
本发明使用减水剂，不但可以增强混凝土的触变性，还可以减少30％-40％的用水量。
另外，本发明使用的粉煤灰和钢渣粉均属于工业废弃料，本发明将其用于制备混凝土，实现了废物回收再利用。而且本发明的材料来源广，造价低，可以节约整个混凝土打印流程的综合成本。
具体实施方式
本发明提供了一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，由包括以下重量份数和体积份数的组分制备得到：
快硬硫铝酸盐水泥600-800份；钢渣粉90-130份；粉煤灰40-80份；硅灰130-180份；石英砂2000-3000份；速凝剂0-5份；缓凝剂0-8份；减水剂4-7份；乳胶粉8-13份；纤维素醚0.4-0.8份；水玻璃2-5份；水250-300份；聚丙烯纤维6-10份；玻化微珠，所述玻化微珠的体积为胶凝材料体积的0.8-1.2倍，所述胶凝材料包括所述快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰。
在本发明中，按重量份数计，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括快硬硫铝酸盐水泥600-800份，优选为650-750份，更优选为680-720份。在本发明中，所述快硬硫铝酸盐水泥的比表面积优选为380-450m2/kg，更优选为400-412m2/kg；强度等级优选为42.5。在本发明的实施例中，所采用的快硬硫铝酸盐水泥的性能指标具体为：密度为2.77g/cm3，标准稠度用水量为28.3％，初凝时间为20min，终凝时间为31min，烧失量为5.33％，氧化镁含量为2.03％，二氧化硅含量为16.5％，1天抗折强度为7.78MPa，3天抗压强度为8.2MPa。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括钢渣粉90-130份，优选为100-120份，更优选为105-115份。在本发明中，所述钢渣粉的比表面积优选为350-400g/cm2，更优选为360-380g/cm2。在本发明的实施例中，所采用的钢渣粉中各组分含量具体为：二氧化硅含量为15.39％，氧化铝含量为2.33％，氧化铁含量为25.58％，氧化钙含量为37.32％，氧化镁含量为3.58％。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括粉煤灰40-80份，优选为50-70份，更优选为55-65份。在本发明中，所述粉煤灰优选为比表面积为280-330g/cm2的II级粉煤灰。在本发明的实施例中，所采用的粉煤灰中各组分含量具体为：二氧化硅含量为51.39％，氧化铝含量为24.21％，氧化铁含量为5.67％，氧化钙含量为3.23％，氧化镁含量为1.18％。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括硅灰130-180份，优选为140-160份，更优选为145-155份。在本发明中，所述硅灰的比表面积优选为18000-22000g/cm2，更优选为19000-20000g/cm2。在本发明的实施例中，所采用的硅灰中各组分含量具体为：二氧化硅含量为88.23％，氧化铝含量为0.25％，氧化铁含量为0.08％，氧化钙含量为0.18％，氧化镁含量为0.24％。
本发明利用快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰作为胶凝材料，并控制其组分配比，能够提高混凝土的强度。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括石英砂2000-3000份，优选为2200-2800份，更优选为2400-2600份。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括速凝剂0-5份，优选为1-4份，更优选为2-3份。在本发明中，所述速凝剂优选为碳酸锂、氢氧化锂或硫酸钠。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括缓凝剂0-8份，优选为1-6份，更优选为2-4份。在本发明中，所述缓凝剂优选为葡萄糖酸钠、硼酸或四硼酸钠。
本发明通过添加不同量的速凝剂和缓凝剂来调节打印速度，以适应3D打印混凝土对打印速度的需求。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括减水剂4-7份，优选为5-6份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐减水剂、奈系减水剂或三聚氰胺减水剂。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括乳胶粉8-13份，优选为9-12份，更优选为10-11份。本发明利用乳胶粉能够改善混凝土的流动性，提高混凝土的保水性和施工性能。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括纤维素醚0.4-0.8份，优选为0.5-0.6份。本发明利用纤维素醚增强混凝土的粘结性能，尤其是对于3D打印混凝土层与层的粘结显得尤为重要。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括水玻璃2-5份，优选为3-4份。本发明通过在混凝土中添加水玻璃，增强混凝土的粘结性能。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括水250-300份，优选为260-290份，更优选为270-280份。
在本发明中，以所述快硬硫铝酸盐水泥的重量份数为基准，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括聚丙烯纤维6-10份，优选为7-9份。在本发明中，所述聚丙烯纤维的长度优选为8-15mm，更优选为9-12mm。本发明利用聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂效应，实际上提高混凝土的抗折(抗拉)强度。
在本发明中，制备所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的原料包括玻化微珠，所述玻化微珠的体积为胶凝材料体积的0.8-1.2倍。在本发明中，所述玻化微珠优选为容重为60-80kg/m3的II级玻化微珠。在本发明的实施例中，所采用的玻化微珠的性能指标具体为：导热系数为0.036W/(m·K)，体积吸水率为38.2％，筒压强度为180kPa。本发明利用玻化微珠作为保温材料，并将保温材料与胶凝材料按照合理的组分配比共同添加到混凝土中，在赋予混凝土保温性能的同时，能够有效保证混凝土的强度要求。
本发明对上述原料组分的来源没有特殊的要求，选用本领域技术人员熟知来源的上述组分即可，具体的如市售的上述组分。
本发明提供了上述技术方案所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉，粉煤灰、硅灰、玻化微珠和聚丙烯纤维混合，得到混合固体物料；
将石英砂与所述混合固体物料混合，得到固体物料；
将减水剂、乳胶粉、纤维素醚、水玻璃、速凝剂、缓凝剂和水混合，得到混合水溶液；
将所述混合水溶液与所述固体物料混合，得到混凝土。
本发明将快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉，粉煤灰、硅灰、玻化微珠和聚丙烯纤维混合，得到混合固体物料。在本发明中，所述混合优选在锚式搅拌器中进行，所述锚式搅拌器的桨叶外缘转速优选为0.5m/s，所述混合的时间优选为1min。
本发明将石英砂与所述混合固体物料混合，得到固体物料。在本发明中，所述混合优选在锚式搅拌器中进行，所述锚式搅拌器的桨叶外缘转速优选为0.5m/s，所述混合的时间优选为2min。
本发明将减水剂、乳胶粉、纤维素醚和水玻璃，以及速凝剂或缓凝剂溶解于水中，得到混合水溶液。本发明对所述混合的方式没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的方式进行混合即可。
得到所述固体物料和混合水溶液后，本发明将所述混合水溶液与所述混合固体物料混合，得到混凝土。在本发明中，所述混合具体是将所述混合水溶液添加到盛装有所述混合固体材料的锚式搅拌器中，所述锚式搅拌器的桨叶外缘转速优选为0.5m/s，所述混合的时间优选为2min。
在本发明中，所述3D混凝土打印装置包括3D打印硬件和软件两大部分,3D打印储料装置属于打印硬件的一部分，3D打印储料装置内含混凝土搅拌装置，与输料管连接，在进行打印时可将搅拌好的混凝土从储料室中泵送至打印喷口进行打印；3D打印的软件部分主要是3D打印建模与控制部分，3D打印建模与控制部分主要由计算机和传感器组成。
在本发明中，所述3D打印的过程为：
第一步：将要进行打印的3D建筑图形输入计算机，人为选定打印位置，计算机自动生成打印路线，点击开始按钮，进行打印；
第二步：计算机控制器通过传感器传来的信号将指令传给执行级，执行级驱动动力系统进行打印。将混凝土在储料箱中进行搅拌，然后混凝土由输料管进入打印喷口；
第三步：混凝土的打印速度则由混凝土的初凝时间来决定，具体的执行则由电脑控制，控制的打印速度是完成第一层混凝土打印所需的时间保证在混凝土的初凝时间内，然后再进行第二层的打印；
第四步：重复第三步，直至打印结束。
下面结合实施例对本发明提供的基于3D打印性能的自保温承重混凝土进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照重量份数和体积份数具体配比如下制备混凝土：
比表面积404g/cm2的快硬硫铝酸盐水泥670份；
比表面积368g/cm2的钢渣粉90份；
比表面积305g/cm2的粉煤灰70份；
比表面积20000g/cm2的硅灰180份；
石英砂2700份；
玻化微珠，取胶凝材料体积的1.2倍；
碳酸锂2份；
聚羧酸减水剂5份；
乳胶粉8份；
纤维素醚0.5份；
水玻璃3份；
水300份；
长度9mm的聚丙烯纤维6份。
具体制备方法的步骤如下：
(1)将上述限定份数的水泥，钢渣粉，粉煤灰，硅灰，玻化微珠，聚丙烯纤维加入锚式搅拌器，桨叶外缘转速0.5m/s干搅1分钟使其充分混合，得到混合固体物料；
(2)将上述限定份数的石英砂加入步骤(1)所得混合固体物料中，以0.5m/s的转速继续搅拌2分钟，得到固体物料；
(3)将上述限定份数的聚羧酸减水剂，乳胶粉，纤维素醚，水玻璃和碳酸锂溶解于上述要求中限定份数的水中，充分搅拌使其分散均匀，得到混合水溶液；
(4)将步骤(3)所得混合水溶液添加至步骤(2)所得固体物料中，转速0.5m/s搅拌2分钟使得材料混合均匀，得到混凝土，搅拌器出口连接打印管和喷头，即可进行3D打印。
实施例2
除用于配制保温混凝土的胶凝材料、保温材料和添加剂用量不同外，其余同实施例1，该保温混凝土的组分按照重量份数和体积分数具体配比如下：
比表面积404g/cm2的快硬硫铝酸盐水泥730份；
比表面积368g/cm2的钢渣粉100份；
比表面积305g/cm2的粉煤灰40份；
比表面积20000g/cm2的硅灰130份；
石英砂2700份；
容重为60-80kg/m3的玻化微珠，取胶凝材料体积的1.0倍；
聚羧酸减水剂5份；
乳胶粉8份；
纤维素醚0.5份；
水玻璃3份；
水300份；
长度9mm的聚丙烯纤维6份。
实施例3
除用于配制保温混凝土的胶凝材料、保温材料、和添加剂用量不同外，其余同实施例1，该保温混凝土的组分按照重量份数和体积分数具体配比如下：
比表面积404g/cm2的快硬硫铝酸盐水泥690份；
比表面积368g/cm2的钢渣粉120份；
比表面积305g/cm2的粉煤灰40份；
比表面积20000g/cm2的硅灰130份；
石英砂2700份；
容重为60-80kg/m3的玻化微珠，取胶凝材料体积的0.9倍；
葡萄糖酸钠5份；
聚羧酸减水剂5份；
乳胶粉8份；
纤维素醚0.5份；
水玻璃3份；
水300份；
长度9mm的聚丙烯纤维6份。
实施例4
除用于配制保温混凝土的保温材料用量不同以外，其余同实施例1，玻化微珠具体份数如下：
容重为60-80kg/m3的玻化微珠，取胶凝材料体积的0.8倍。
对比例1
除用于配制保温混凝土的添加剂水玻璃用量不同外，其余同实施例1，水玻璃具体份数如下：
水玻璃6份。
对比例2
除用于配制保温混凝土的聚丙烯纤维用量不同以外，其余同实施例2，聚丙烯纤维具体份数如下：
长度9mm的聚丙烯纤维12份。
将上述实施例1-4以及对比例1-2配制出的保温承重混凝土进行3D打印，具体如下：
实施例1所述混凝土，配合6cm/s的水平打印速度，顺利完成打印；
实施例2所述混凝土在4cm/s的水平打印速度下顺利完成；
实施例3所述混凝土，配合2cm/s的水平打印速度，顺利完成打印；
实施例4所述混凝土，保温性能好，强度高，流动性好，能够顺利完成打印，是性能优良的3D打印保温承重混凝土。
对比例1所述混凝土，混凝土打印试件表面析出白色的碱，说明水玻璃添加过多会致使Na2SiO3析出，会严重影响打印效果。
对比例2所述混凝土在打印过程中出现了喷嘴堵塞、打印不均、纤维素抱团突出于打试件表面的现象，打印过程极不流畅，说明聚丙烯纤维对于打印性能具有重要的影响。
表1实施例1-4以及对比例1-2中保温混凝土的各项性能：
根据表1混凝土的相关性能可知，减少混凝土中保温材料至合理的用量会略降低材料的保温性能，但强度却明显增加，且保温性能仍符合规范要求。
经过多次试验发现，本发明所述组成的混凝土保温性能良好，强度符合要求，且能够适应不同的打印速度，是性能优良的3D打印保温混凝土，适用于3D打印及后续的投入使用。
由以上实施例可知，本发明提供了一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，该3D打印保温混凝土既具有良好的保温性能，又可以适应不同打印速度，流动性好，可塑性高，强度高，耐久性好，打印性能好，为建筑工程的保温处理提供了新的方法，极大地降低了人工和经济成本，有利于推动3D打印混凝土技术更进一步的发展。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于3D打印性能的自保温承重混凝土，由包括以下重量份数和体积份数的组分制备得到：
快硬硫铝酸盐水泥600-800份；钢渣粉90-130份；粉煤灰40-80份；硅灰130-180份；石英砂2000-3000份；速凝剂0-5份；缓凝剂0-8份；减水剂4-7份；乳胶粉8-13份；纤维素醚0.4-0.8份；水玻璃2-5份；水250-300份；聚丙烯纤维6-10份；玻化微珠，所述玻化微珠的体积为胶凝材料体积的0.8-1.2倍，所述胶凝材料包括所述快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰和硅灰。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述快硬硫铝酸盐水泥的比表面积为380-450m2/kg，强度等级为42.5。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述钢渣粉的比表面积为350-400g/cm2。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为比表面积为280-330g/cm2的II级粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积为18000-22000g/cm2。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述玻化微珠为容重为60-80kg/m3的II级玻化微珠。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述速凝剂为碳酸锂、氢氧化锂或硫酸钠；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼酸或四硼酸钠。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐减水剂、奈系减水剂或三聚氰胺减水剂。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印性能的自保温承重混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维的长度为8-15mm。
10.权利要求1～9任一项所述基于3D打印性能的自保温承重混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将快硬硫铝酸盐水泥、钢渣粉，粉煤灰、硅灰、玻化微珠和聚丙烯纤维混合，得到混合固体物料；
将石英砂与所述混合固体物料混合，得到固体物料；
将减水剂、乳胶粉、纤维素醚、水玻璃、速凝剂、缓凝剂和水混合，得到混合水溶液；
将所述混合水溶液与所述固体物料混合，得到混凝土。
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