CN110372288A - 一种高韧性3d打印白水泥基材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法和应用。以重量份计，所述高韧性3D打印白水泥基材料包括以下组分：白水泥450‑520份、水170‑180份、纤维素醚1.5‑3.5份、消泡剂1‑2份、促凝剂1‑2份、膨润土5‑15份、减水剂1‑2份、混合材25‑35份、可再分散乳胶粉4‑10份、玻璃纤维网格布1‑5份。本发明的方法能够显著提高3D打印白水泥基材料的韧性，同时，还能够有效调控3D打印白水泥基材料的流变性能、触变性能等。

Description

一种高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体的，涉及一种高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法和应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3D打印技术作为一种绿色高效的新兴技术近年来在建筑领域得到了广泛的关注。与传统施工技术相比，3D打印技术具备许多优势，例如：机械化程度高，大大缓解了人力资源成本；资源利用率高，污染少；突破了传统模板的限制，可打印复杂的、奇特的构件；大大缩短了工期。
白水泥是最大的装饰水泥，广泛应用于地面、饰面砂浆、彩色水刷石和水磨石、装饰板材、斩假石、混凝土雕塑、景观柱以及工艺品，3D打印技术在装饰领域有巨大的应用前景，并且对材料的性能提出了更高的要求。例如彩色水刷石和水磨石、装饰板材、斩假石、混凝土雕塑以及一些工艺品等均需3D打印白水泥基材料的有更高的韧性。但是，本发明人认为：目前3D打印白水泥基材料的韧性差，抗折强度低，而且流变性能、触变性能、凝结特性不符合3D打印技术的要求，打印的3D结构易变形甚至坍塌。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法和应用。经试验验证，本发明的方法能够显著提高3D打印白水泥基材料的韧性，同时，还能够有效调控3D打印白水泥基材料的流变性能、触变性能等。
本发明第一目的：提供一种高韧性3D打印白水泥基材料。
本发明第二目的：提供一种高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法。
本发明第三目的：提供所述高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：白水泥450-520份、水170-180份、纤维素醚1.5-3.5份、消泡剂1-2份、促凝剂1-2份、膨润土5-15份、减水剂1-2份、混合材25-35份、可再分散乳胶粉4-10份、玻璃纤维网格布1-5份。
作为进一步的技术方案，所述白水泥为白色硅酸盐水泥，强度等级P.W42.5，白度大于87，密度3g/cm3。
作为进一步的技术方案，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度60Pa·s。纤维素醚可以有效改善3D打印白水泥基材料的粘结强度、保水性，显著改善3D打印白水泥基材料的流变性能，降低产品的变形率。
作为进一步的技术方案，所述消泡剂为磷酸三丁酯，密度0.97-0.98g/cm3，有效含量大于97％。消泡剂可以减少浆体搅拌及因纤维素醚和胶粉引入的气泡，降低吸水量，抗压强度、抗折强度、拉伸强度均有一定量的增长。
作为进一步的技术方案，所述促凝剂为氯化钙或甲酸钙。促凝剂可以促进3D打印白水泥基材料的水化，减少凝结时间，控制浆体的可打印时间，降低产品的在早期因重力产生的变形。
作为进一步的技术方案，所述膨润土为钠基膨润土，细度300-400目，密度2.2-2.5g/cm3。膨润土可以改善3D打印白水泥基材料的稠度，大幅度提高浆体的屈服应力，控制产品的变形率。
作为进一步的技术方案，所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂，减水率26-42％。减水剂能够有效改善3D大于白水泥基材料的流动性，提高工作性能，并在较长一段时间使浆体保持一定的塑性，延长材料的可打印时间。
作为进一步的技术方案，所述混合材为半水石膏、重钙、造纸白泥的一种或几种。其中，半水石膏平均粒径8.7um，白度大于90；重钙细度600-800目，白度大于95；造纸白泥白度大于94，含水率40-46％。混合材可以提高3D打印白水泥的白度，在不同程度上降低水泥碱度，有效减少泛碱现象的发生，改善浆体流动性。
作为进一步的技术方案，所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯三元共聚物乳胶粉。胶粉中的聚合物在水泥中形成的网络结构体系可以改善浆体的结构，减少连通孔隙，提高致密性，降低吸水量，从而抑制了泛碱性，而且能有效增强粘聚力提高3D打印水泥基材料的韧性。
作为进一步的技术方案，所述玻璃纤维网格布为经改造的耐碱玻璃纤维网格布，具体方法为：在玻璃纤维网格布的经纬交界处附近缝隙中沿Z轴方向插入玻璃纤维束，长度大约2-3mm，形成三维网状结构，然后在玻璃纤维网格布表面涂覆一层聚丙烯酸酯乳液，提高纤维的耐酸碱性、纤维的集束力、与水泥基材料的结合力。Z轴方向的纤维插入3D打印白水泥基材料中，进一步提高玻璃纤维网格布与上下两层浆体的结合能力。玻璃纤维网格布可以极大的提高3D打印白水泥基材料的韧性，将抗弯强度提升一个数量级，而且玻璃纤维色泽明亮，不影响白度。
作为进一步的技术方案，所述玻璃纤维网格布中氧化锆含量为14-15％，氧化钛含量为5.8-6.2％，单位面积质量为150-160g/cm2，网眼尺寸为3mm×3mm、4mm×4mm、5mm×5mm或8mm×8mm。
其次，本发明公开上述高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玻璃纤维网格布加工成适合所打印模型的大小尺寸，备用；
(2)将胶粉、促凝剂、减水剂、消泡剂融于水中，然后与白水泥和混合材一起搅拌均匀，得到浆液A；
(3)在步骤(2)的浆液A中加入纤维素醚、膨润土，搅拌均匀，得到浆液B；
(4)对步骤(3)中的浆液B进行打印，每打印完至少一层材料，在该材料上铺上一层玻璃纤维网格布，重复上述打印过程，直至打印完成，即得。
最后，本发明公开所述高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法在建筑等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明的配方可以有效提高3D打印白水泥基材料的韧性，将抗折强度提升至原先的10倍。
(2)本发明的配方可以有效调控3D打印白水泥基材料的流变性能、触变性能，能够将变形率控制在5％以内，从而实现对3D打印过程的稳定控制。
(3)本发明的配方有效提高了3D打印白水泥基材料的致密度，降低了吸水性和碱性，减少泛碱现象的发生。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述，目前，3D打印白水泥基材料的韧性差，抗折强度低，而且流变性能、触变性能、凝结特性不符合3D打印技术的要求，打印的3D结构易变形甚至坍塌，制备的产品强度低。因此，本发明提出一种高韧性3D打印白水泥基材料及其制备方法；现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。
下列实施例中，所述白水泥为白色硅酸盐水泥，强度等级P.W 42.5，白度大于87，密度3g/cm3；所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度60Pa·s；所述消泡剂为磷酸三丁酯，密度在0.97-0.98g/cm3之间，有效含量大于97％；所述膨润土为钠基膨润土，细度在300-400目之间，密度在2.2-2.5g/cm3之间所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂，减水率26～42％；所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯三元共聚物乳胶粉；所述玻璃纤维网格布为经改造的耐碱玻璃纤维网格布，具体方法为：在玻璃纤维网格布的经纬交界处附近缝隙中沿Z轴方向插入玻璃纤维束，长度大约2-3mm，形成三维网状结构，然后在玻璃纤维网格布表面涂覆一层聚丙烯酸酯乳液。
实施例1
1、一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：水泥500份、水175份、纤维素醚1.5份、消泡剂1份、促凝剂2份、膨润土15份、减水剂1份、混合材25份、可再分散乳胶粉10份、玻璃纤维网格布5份。所述促凝剂为甲酸钙；所述混合材为半水石膏，其平均粒径8.7um，白度大于90；所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量15％，氧化钛含量6.2％，单位面积质量160g/cm2，所述玻璃纤维网格布的网格尺寸为3mm×3mm。
2、将本实施例的白水泥基材料打印成试块，以便于检测其性能；打印方法如下：按照上述各原料比例，包括下列步骤：
(1)将玻璃纤维网格布加工成适合所打印模型的大小尺寸，备用；
(2)将胶粉、促凝剂、减水剂、消泡剂融于水中，然后与白水泥和混合材一起搅拌均匀，得到浆液A；
(3)在步骤(2)的浆液A中加入纤维素醚、膨润土，搅拌均匀，得到浆液B；
(4)对步骤(3)中的浆液B进行打印，每打印完一层材料，在该材料上铺上一层玻璃纤维网格布，重复上述打印过程，直至打印完成，即得。
实施例2
1、一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：水泥500份、水175份、纤维素醚3.5份、消泡剂2份、促凝剂1份、膨润土14份、减水剂2份、混合材35份、可再分散乳胶粉4份，玻璃纤维网格布2.5份。所述促凝剂为甲酸钙；所述混合材为重钙，其细度600-800目，白度大于95；所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量14％，氧化钛含量5.9％，单位面积质量154g/cm2，所述玻璃纤维网格布尺寸4mm×4mm。
2、将本实施例的白水泥基材料打印成试块，以便于检测其性能；打印方法的前三步与实施例1相同，区别在于：第四步每打印完2层材料，铺一层玻璃纤维网格布。
实施例3
1、一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：水泥480份、水170份、纤维素醚2份、消泡剂1.5份、促凝剂1份、膨润土9份、减水剂1份、混合材31份、可再分散乳胶粉6份、玻璃纤维网格布1.7份。所述促凝剂为氯化钙；所述混合材为造纸白泥，其白度大于94，含水率在40-46％之间；所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量14.5％，氧化钛含量6.1％，单位面积质量150g/cm2，所述玻璃纤维网格布尺寸5mm×5mm。
2、将本实施例的白水泥基材料打印成试块，以便于检测其性能；打印方法的前三步与实施例1相同，区别在于：第四步每打印完3层材料，铺一层玻璃纤维网格布。
实施例4
1、一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：水泥450份、水175份、纤维素醚3份、消泡剂1.6份、促凝剂1.4份、膨润土7份、减水剂1.8份、混合材29份、可再分散乳胶粉10份、玻璃纤维网格布1.7份。所述促凝剂为甲酸钙；所述混合材为半水石膏，其平均粒径8.7um，白度大于90；所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量14.3％，氧化钛含量5.5％，单位面积质量156g/cm2，所述玻璃纤维网格布的网格尺寸为8mm×8mm。
2、将本实施例的白水泥基材料打印成试块，以便于检测其性能；打印方法的前三步与实施例1相同，区别在于：第四步每打印完3层材料，铺一层玻璃纤维网格布。
实施例5
1、一种高韧性3D打印白水泥基材料，以重量份计，包括以下组分：水泥520份、水180份、纤维素醚1.6份、消泡剂1.2份、促凝剂1.8份、膨润土7份、减水剂1.5份、混合材28份、可再分散乳胶粉7份、玻璃纤维网格布1份。所述促凝剂为氯化钙；所述混合材为半水石膏，其平均粒径8.7um，白度大于90；所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量15％，氧化钛含量6.2％，单位面积质量160g/cm2，所述玻璃纤维网格布的网格尺寸为3mm×3mm。
2、将本实施例的白水泥基材料打印成试块，以便于检测其性能；打印方法的前三步与实施例1相同，区别在于：第四步每打印完5层材料，铺一层玻璃纤维网格布。
性能测试：
作为对比，在实施例1-5的基础上，去除各自的玻璃纤维网格布，将得到的白水泥基材料打印成试块(依次序对应对比例1-5)，检测其性能，测试方法如下：
(1)流变性能测试(塑性粘度、屈服应力、触变环面积)使用英国马尔文kinexuslab+旋转流变仪测试所得。
(2)白度按照GB/T 5950-2008《建筑材料与非金属矿产白度测量方法》规定的测定方法。
(3)抗压抗折强度使用美国的MTS万能试验机测试所得。
(4)吸水量按照JC/T 1024-2007《墙体饰面砂浆》规定的测试方法所得。
(5)泛碱性通过测量经过浸水法后的泛碱面积所得。
经过检测，实施例1-5的结果如表1所示：
表1
经过测试，对比例1-5数据如表2所示：
表2
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
白度 88.0 94.8 89.3 93.9 91.5
塑性粘度/Pa·s 2.8 3.77 3.29 3.6 2.69
屈服应力/Pa 644 815 729 600 530
变形率/％ 6.5 4.9 6.2 4.8 7.9
触变环面积/Pa/s 8025 7999 7682 7423 7222
泛碱面积(％) 36 14 30 25 20
吸水量(g/4h) 2.5 1.3 2.1 1.4 1.5
抗压强度/MPa(3d) 50.2 44.0 40 47.6 45.9
抗折强度/MPa(3d) 1.9 2.5 2 2.3 2.2
可打印时间(min) 53 79 60 56 62
从表1和表2的数据可以看出：
(1)玻璃纤维网格布可以极大地提高3D打印白水泥基材料的韧性，将抗折强度提高一个数量级。
(2)纤维素醚可以有效改善3D打印白水泥基材料的粘结强度、保水性，极大地改善3D打印白水泥基材料的流变性能，降低产品的变形率。
(3)消泡剂可以减少浆体搅拌及因纤维素醚和胶粉引入的气泡，降低吸水量，抗压强度、抗折强度、拉伸强度均有一定量的增长。
(4)促凝剂可以促进3D打印白水泥基材料的水化，减少凝结时间，控制浆体的可打印时间，降低产品的在早期因重力产生的变形。
(5)膨润土可以改善3D打印白水泥基材料的稠度，大幅度提高浆体的屈服应力，控制产品的变形率。
(6)减水剂能使极大地改善3D大于白水泥基材料的流动性，提高工作性能，并在较长一段时间是浆体保持一定的塑性，延长材料的可打印时间。
(7)混合材可以提高3D打印白水泥基材料的白度，在不同程度上降低水泥碱度，有效减少泛碱现象的发生，改善浆体流动性。
(8)乳胶粉中的聚合物在水泥中形成的网络结构体系可以改善浆体的结构，减少连通孔隙，提高致密性，降低吸水量，从而抑制了泛碱性，而且能有效增强了粘聚力提高3D打印白水泥基材料的韧性并延长凝结时间。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高韧性3D打印白水泥基材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：白水泥450-520份、水170-180份、纤维素醚1.5-3.5份、消泡剂1-2份、促凝剂1-2份、膨润土5-15份、减水剂1-2份、混合材25-35份、可再分散乳胶粉4-10份、玻璃纤维网格布1-5份。
2.如权利要求1所述的高韧性3D打印白水泥基材料，其特征在于，所述玻璃纤维网格布为经改造的耐碱玻璃纤维网格布，具体方法为：在玻璃纤维网格布的经纬交界处附近缝隙中沿Z轴方向插入玻璃纤维束，形成三维网状结构，然后在玻璃纤维网格布表面涂覆一层聚丙烯酸酯乳液；优选地，插入的玻璃纤维长度在2-3mm之间。
3.如权利要求1所述的高韧性3D打印白水泥基材料，其特征在于，所述白水泥为白色硅酸盐水泥，强度等级P.W 42.5，白度大于87，密度3g/cm3；
优选地，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度60Pa·s；
所述消泡剂为磷酸三丁酯，密度0.97-0.98g/cm3，有效含量大于97％；
优选地，所述促凝剂为氯化钙或甲酸钙。
4.如权利要求1-3任一项所述的高韧性3D打印白水泥基材料，其特征在于，所述膨润土为钠基膨润土，细度300-400目，2.2-2.5g/cm3；
优选地，所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂，减水率26-42％；
优选地，所述混合材为半水石膏、重钙、造纸白泥的一种或几种；
更优选地，所述半水石膏平均粒径8.7um，白度大于90；
更优选地，所述重钙细度600-800目，白度大于95；
更优选地，所述造纸白泥白度大于94，含水率40-46％。
5.如权利要求1-3任一项所述的高韧性3D打印白水泥基材料，其特征在于，所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯三元共聚物乳胶粉；
优选地，所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，氧化锆含量为12-15％，氧化钛含量为5.8-6.2％，单位面积质量为150-160g/cm2；
更优选地，所述玻璃纤维网格布的网眼尺寸为3mm×3mm、4mm×4mm、5mm×5mm或8mm×8mm。
6.一种高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将玻璃纤维网格布加工成适合所打印模型的大小尺寸，备用；
(2)将胶粉、促凝剂、减水剂、消泡剂融于水中，然后与白水泥和混合材一起搅拌均匀，得到浆液A；
(3)在步骤(2)的浆液A中加入纤维素醚、膨润土，搅拌均匀，得到浆液B；
(4)对步骤(3)中的浆液B进行打印，每打印完至少一层材料，在该材料上铺上一层玻璃纤维网格布，重复上述打印过程，直至打印完成，即得。
7.如权利要求6所述的高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法，其特征在于，以重量份计，各组分的添加量为：白水泥450-520份、水170-180份、纤维素醚1.5-3.5份、消泡剂1-2份、促凝剂1-2份、膨润土5-15份、减水剂1-2份、混合材25-35份、可再分散乳胶粉4-10份、玻璃纤维网格布1-5份；
优选地，所述白水泥为白色硅酸盐水泥，强度等级P.W 42.5，白度大于87，密度3g/cm3；
优选地，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度60Pa·s；
优选地，所述消泡剂为磷酸三丁酯，密度0.97-0.98g/cm3，有效含量大于97％；
优选地，所述促凝剂为氯化钙或甲酸钙。
8.如权利要求6或7所述的高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述膨润土为钠基膨润土，细度300-400目，密度2.2-2.5g/cm3；
优选地，所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂，减水率26-42％；
优选地，所述混合材为半水石膏、重钙、造纸白泥的一种或几种；
更优选地，所述半水石膏平均粒径8.7um，白度大于90；
更优选地，所述重钙细度600-800目，白度大于95；
更优选地，所述造纸白泥白度大于94，含水率40-46％。
9.如权利要求6或7所述的高韧性3D打印白水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯-丙烯酸酯三元共聚物乳胶粉；
优选地，所述玻璃纤维网格布为经改造耐碱玻璃纤维网格布，具体方法为：在玻璃纤维网格布的经纬交界处附近缝隙中沿Z轴方向插入玻璃纤维束，形成三维网状结构，然后在玻璃纤维网格布表面涂覆一层聚丙烯酸酯乳液；优选地，插入的玻璃纤维束长度在2-3mm之间；
优选地，所述玻璃纤维网格布中氧化锆含量为12-15％，氧化钛含量为5.8-6.2％，单位面积质量为150-160g/cm2；
优选地，所述玻璃纤维网格布的网眼尺寸为3mm×3mm、4mm×4mm、5mm×5mm或8mm×8mm。
10.如权利要求1-5任一项所述的高韧性3D打印白水泥基材料和/或如权利要求6-9任一项所述的方法制备及其制备的高韧性3D打印白水泥基材料在建筑领域中的应用。
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