CN108658549B - 绿色高性能3d打印混凝土及其制备方法 - Google Patents

绿色高性能3d打印混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法，能够赋予3D打印混凝土优异的工作性和力学性能。绿色高性能3D打印混凝土特征在于，包括：3D打印胶凝材料、3D打印标准砂、和3D打印塑化剂(为3D打印胶凝材料质量的2.0％)，其中，3D打印胶凝材料包含：硅酸盐水泥70～80份，辅助胶凝材料14～24份，硫铝酸盐水泥3～5份，晶种1～2份，3D打印标准砂与3D打印胶凝材料质量之比为2～2.5：1。制备方法的特征在于：按重量称取3D打印胶凝材料1份、3D打印标准砂2～2.5份、和3D打印混凝土塑化剂，3D打印混凝土塑化剂占3D打印胶凝材料质量的2％，水胶比为0.38～0.40。

Description

绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法。
技术背景
3D打印(又称增材制造)是以数字3维模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术[1]。因此，国家知识产权局印发的《知识产权重点支持产业目录(2018年本)》明确了国家重点发展和亟需知识产权支持的10个重点产业，其中3个提到了3D打印产业的发展。
无模增材建造是基于3D模型将3D打印混凝土挤出3D打印机喷嘴逐层铺设材料建造3D结构的一种新兴技术，建造过程不使用模板，也无须振捣[2-5]。它将“数字世界”和“实体世界”连接起来，实现了“数字向实体”的转换，是一场真正的建造革命。该技术使得传统的建造技术被数字化建造技术所取代[6]，颠覆了传统建造工艺和施工技术，对于推动建筑产业自动化具有特别重要的意义[7,8]。随着世界特别是发达国家工程建造建设概念的转变，实现快速、高效的自动化建造已成为世界建筑行业的发展趋势[9]。
但是，普通混凝土的性能，特别是工作性，已经无法满足其技术要求。在一定的打印条件下(打印头喷嘴形状和大小、喷嘴至试件表面的距离、挤出速率和打印速率等)，混凝土应具有一定的流动性、挤出性、建造性、凝结性、粘聚性和力学性能等[10,11]。因此，亟需发明一种高性能3D打印混凝土，以满足增材建造技术的快速发展。
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发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法，该混凝土具有优异的挤出性、建造性、流动性、粘聚性、凝结性和力学性能，并大量消纳磷渣粉，成本低廉，可用于无模增材建造。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<混凝土>
本发明提供一种绿色高性能3D打印混凝土，其特征在于，包括：3D打印胶凝材料、3D打印标准砂、和3D打印塑化剂，其中，3D打印胶凝材料包含：硅酸盐水泥70～80份，辅助胶凝材料14～24份，硫铝酸盐水泥3～5份，晶种1～2份，3D打印标准砂与3D打印胶凝材料质量之比为2～2.5：1，3D打印混凝土塑化剂的质量为3D打印胶凝材料质量的2.0％。本文所提及的“份”均表示“重量份”。
优选地，本发明提供的绿色高性能3D打印混凝土还可以具有以下特征：硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥P.O.42.5，辅助胶凝材料为磷渣粉，主要由硅氧玻璃体和铝氧玻璃体组成，粒度小于0.045mm。
优选地，本发明提供的绿色高性能3D打印混凝土还可以具有以下特征：晶种主要由C-S-H、CH和CaCO3组成，粒度小于0.08mm。
优选地，本发明提供的绿色高性能3D打印混凝土还可以具有以下特征：3D打印标准砂为高石粉含量机制砂，最大粒径为2.50mm，粒径为2.50～1.25mm、1.25～0.63mm、0.63～0.315mm、0.315～0.16mm、0.16～0.075mm和小于0.075mm的颗粒分别占25wt.％、25wt.％、20wt.％、5wt.％、5wt.％、20wt.％。
优选地，本发明提供的绿色高性能3D打印混凝土还可以具有以下特征：3D打印塑化剂包含：8份超塑化剂、和92份载体。
优选地，本发明提供的绿色高性能3D打印混凝土还可以具有以下特征：超塑化剂为：以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸，载体为粒径小于5μm的沉珠。
<制备方法>
另外，本发明还提供一种绿色高性能3D打印混凝土的制备方法，其特征在于：按重量称取3D打印胶凝材料1份、3D打印标准砂2～2.5份、和3D打印混凝土塑化剂，3D打印混凝土塑化剂占3D打印胶凝材料质量的2％，水胶比为0.38～0.40，置于搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后即得绿色高性能3D打印混凝土，其中，3D打印胶凝材料包含：硅酸盐水泥70～80份，辅助胶凝材料14～24份，硫铝酸盐水泥3～5份，以及晶种1～2份，3D打印标准砂与3D打印胶凝材料质量之比为2～2.5：1，3D打印混凝土塑化剂的质量为3D打印胶凝材料质量的2.0％。
发明的作用与效果
1、如图1和下表1所示，本发明所提供的绿色高性能3D打印混凝土具有良好的工作性，可满足增材建造施工工艺的要求。
表1绿色高性能3D打印混凝土的工作性
Figure BDA0001678075070000051
注：1.粘聚性：定性观察，分为上、中、下三级；2.保水性：定性观察，分为上、中、下三级；3.挤出性：定性观察，分为上、中、下三级；4.建造性：(实际宽度-理论宽度)×100/理论宽度，理论宽度为打印头喷口宽度；5.凝结性能：可打印时间作为测试指标，从搅拌停止开始计时，每隔5分钟测试一次微坍落度，直至微坍落度降至0为止所消耗的时间。
2、本发明所提供的绿色高性能3D打印混凝土具有良好的力学性能，采用图2所示试样进行测试，7d龄期时抗折强度可达8.2～9.7MPa，抗压强度可达41.0～51.4MPa；14d龄期时抗折强度可达8.7～10.0MPa，抗压强度可达52.0～58.3MPa。
3、本发明所提供的绿色高性能3D打印混凝土大量利用磷渣粉作为辅助胶凝材料等量替代水泥，为磷渣粉的资源化提供了一个有效的途径，大大降低了环境负荷。磷渣粉中的硅氧玻璃体和铝氧玻璃体可以和CH发生火山灰反应生成C-S-H凝胶，并且随着火山灰反应的不断进行，凝胶大量生成形成了致密的结构，这是本发明绿色高性能3D打印混凝土具有优异力学性能和耐久性的微观基础。
4、本发明所采用的晶种主要由C-S-H、CH和CaCO3组成，掺入适量的晶种可提高3D打印混凝土的早期强度。适当比例的硫铝酸盐水泥和晶种掺入硅酸盐水泥后，可以对硅酸盐水泥进行改性，改性后可赋予混凝土优良的挤出性、建造性、流动性、粘聚性、凝结性和保水性，从而实现无模增材建造的应用。
5、本发明使用高石粉含量机制砂作为骨料，可有效缓解河砂的供求矛盾。
附图说明
图1为本发明中涉及的绿色高性能3D打印混凝土(硬化前)的形貌图；
图2为本发明中涉及的尺寸为40mm×40mm×160mm的绿色高性能3D打印混凝土棱柱体试件(由硬化后的3D打印混凝土切割而成)的形貌图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
按重量称取3D打印胶凝材料1份，3D打印标准砂2份、3D打印混凝土塑化剂(占3D打印胶凝材料质量的2％)，加入自来水，水胶比为0.38，置于水泥胶砂搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后获得绿色高性能3D打印混凝土，其工作性和力学性能如下表2所示。
上述3D打印胶凝材料的组成：普通硅酸盐水泥70份，磷渣粉24份，硫铝酸盐水泥5份，晶种1份。
上述3D打印标准砂为机制砂，最大粒径2.5mm，石粉含量18％。
上述3D打印塑化剂的组成：沉珠92份，以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸8份。
表2绿色高性能3D打印混凝土的工作性和强度
Figure BDA0001678075070000071
Figure BDA0001678075070000081
<实施例二>
按重量称取3D打印胶凝材料1份，3D打印标准砂2份、3D打印混凝土塑化剂(占3D打印胶凝材料质量的2％)，加入自来水，水胶比为0.38，置于水泥胶砂搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后获得绿色高性能3D打印混凝土，其工作性和力学性能如下表3所示。
上述3D打印胶凝材料的组成：普通硅酸盐水泥80份，磷渣粉14份，硫铝酸盐水泥5份，晶种1份。
上述3D打印标准砂为机制砂，最大粒径2.50mm，石粉含量18％。
上述3D打印塑化剂的组成：沉珠92份，以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸8份。
表3绿色高性能3D打印混凝土的工作性和强度
Figure BDA0001678075070000082
Figure BDA0001678075070000091
<实施例三>
按重量称取3D打印胶凝材料1份，3D打印标准砂2份、3D打印混凝土塑化剂(占3D打印胶凝材料质量的2％)，加入自来水，水胶比为0.38，置于水泥胶砂搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后获得绿色高性能3D打印混凝土，其工作性和力学性能如下表4所示。
上述3D打印胶凝材料的组成：普通硅酸盐水泥80份，磷渣粉15份，硫铝酸盐水泥3份，晶种2份。
上述3D打印标准砂为机制砂，最大粒径2.50mm，石粉含量18％。
上述3D打印塑化剂的组成：沉珠92份，以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸8份。
表4绿色高性能3D打印混凝土的工作性和强度
Figure BDA0001678075070000101
<实施例四>
按重量称取3D打印胶凝材料1份，3D打印标准砂2.5份、3D打印混凝土塑化剂(占3D打印胶凝材料质量的2％)，加入自来水，水胶比为0.40，置于水泥胶砂搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后获得绿色高性能3D打印混凝土，其工作性和力学性能如下表5所示。
上述3D打印胶凝材料的组成：普通硅酸盐水泥80份，磷渣粉14份，硫铝酸盐水泥5份，晶种1份。
上述3D打印标准砂为机制砂，最大粒径2.50mm，石粉含量18％。
上述3D打印塑化剂的组成：沉珠92份，以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸8份。
表5绿色高性能3D打印混凝土的工作性和强度
Figure BDA0001678075070000111
<实施例五>
按重量称取3D打印胶凝材料1份，3D打印标准砂2.5份、3D打印混凝土塑化剂(占3D打印胶凝材料质量的2％)，加入自来水，水胶比为0.40，置于水泥胶砂搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后获得3D打印混凝土，其工作性和力学性能如下表6所示。
上述3D打印胶凝材料的组成：普通硅酸盐水泥70份，磷渣粉24份，硫铝酸盐水泥5份，晶种1份。
上述3D打印标准砂为机制砂，最大粒径2.50mm，石粉含量18％。
上述3D打印塑化剂的组成：沉珠92份，以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸8份。
表6绿色高性能3D打印混凝土的工作性和强度
Figure BDA0001678075070000121
Figure BDA0001678075070000131
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种绿色高性能3D打印混凝土，其特征在于：
由3D打印胶凝材料、3D打印标准砂、3D打印塑化剂和自来水组成，并且，水胶比为0.38~0.40；
其中，所述3D打印胶凝材料的组成为：硅酸盐水泥70~80份，辅助胶凝材料14~24份，硫铝酸盐水泥3~5份，晶种1~2份，
所述3D打印标准砂与所述3D打印胶凝材料质量之比为2~2.5：1，
所述3D打印混凝土塑化剂的质量为所述3D打印胶凝材料质量的2.0%，
所述辅助胶凝材料为磷渣粉，主要由硅氧玻璃体和铝氧玻璃体组成，粒度小于0.045mm；
所述晶种主要由C-S-H、CH和CaCO3组成，粒度小于0.08mm；
所述3D打印标准砂为高石粉含量机制砂，最大粒径为2.50mm，粒径为2.50~1.25mm、1.25~0.63mm、0.63~0.315mm、0.315~0.16mm、0.16~0.075mm和小于0.075mm的颗粒分别占25wt.%、25wt.%、20wt.%、5wt.%、5wt.%、20wt.%；
所述3D打印塑化剂的组成为：8份超塑化剂和92份载体，所述超塑化剂为：以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链的聚羧酸，所述载体为粒径小于5μm的沉珠。
2.根据权利要求1所述的绿色高性能3D打印混凝土，其特征在于：
其中，所述硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥 P.O 42.5。
3.一种制备如权利要求1至2中任意一项所述的绿色高性能3D打印混凝土的方法，其特征在于：
按重量称取3D打印胶凝材料、3D打印标准砂和3D打印混凝土塑化剂，水胶比为0.38~0.40，置于搅拌机中强制搅拌，搅拌均匀后即得所述绿色高性能3D打印混凝土。
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