CN110423077A - 一种快速高效3d打印水泥基材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料，所述水泥基材料包括复配水泥、相变材料、减水剂、缓凝剂、触变剂、石英砂、粉煤灰、硅灰、纳米黏土以及水；本发明的水泥基材料在搅拌和运输的过程中具有较好的流动性，在挤出后具有较好的堆积性，在相变材料和所施加对应外场的共同作用下，可以主动控制混合料的凝结固化速度，形成早期强度，后期强度可持续发展，即能够实现水泥基材料流变性、可挤出性、可建造性的平衡，满足3D打印水泥基材料快硬快干的要求，进而实现3D结构的超多层打印。

Description

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，属于3D打印制造技术领域。

背景技术

3D打印技术是近30年来发展起来的一种新型材料制备技术，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术与传统的材料制备技术最大的优势在于其速度快，不需要模板和大量的工人，可以实现整体成型，减少了一系列繁琐的步骤，极大地提高了制备效率，减少了资源的浪费。正因如此，3D打印技术自问世以来，得到世界各国、各行业的广泛关注。

3D打印技术在建筑领域的应用具有广阔的前景。专利CN104310918A公开了一种用于3D打印技术的水泥基复合材料及其制备方法和用途，主要包括水泥、无机粉料、尾矿机制砂、高分子聚合物、减水剂、外加复合调凝剂、触变剂以及体积稳定剂等无机复合材料。此方法制备的混合料凝结时间在10min-60min，层间粘结性并不理想，而且容易堵管。专利CN108117336A公布了一种3D打印高抗压强度砂浆的制备方法，采用的原材料包括硅酸盐水泥、硅灰石粉、破碎鹅卵石、海泡石粉、煤矸石复合物、天然胶粉、减水剂、保塑剂、憎水剂、硅藻土等，此方法制备的混合料具有良好的可建造性和抗压强度，但是此体系主要采用的是硅酸盐水泥，当冬季气温较低时，水化速度会下降，早期强度会不足，所以不适合冬季打印施工，而且此煤矸石复合物的制备工艺相对复杂，不利于大规模生产。专利CN10489189A公布了一种3D打印水泥基材料及其制备方法，主要由硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、纤维、早强剂、活性掺合料、引气剂、调凝剂、保塑剂、憎水剂、淀粉醚和粉末填料组成，此方法制备的混合料流变性能较好，但是凝结时间较长，在30-60min之间。专利CN108117336A公布了一种3D打印砂浆及其制备方法，该发明主要由复配水泥、石英砂、减水剂、石灰、促凝剂、消泡剂、增稠剂和纤维组成。此发明浆体可以实现快硬、且触变性良好的和较好的流动性，初凝时间最快可达两分钟以内。但是经验证此混合料制成的水泥基材料的打印层数和高度有限。

总体来看，目前传统的3D打印水泥基材料种类单一，水泥基材料的凝结硬化时间普遍较长，虽然可以加入一些掺合料、外加剂调整，但是混合料的其他性能也会受到影响。同时传统的3D打印水泥基材料的打印层数和堆积高度已遇到瓶颈，很难继续提高。所以，在此背景下，在满足流变性、可挤出性和可建造性的同时，为了主动控制水泥基材料的性能和打印效率，而不是被动的等待水泥基材料凝结硬化，本文提出在水泥基材料中掺入相变材料，均匀混合并挤出管后，施加与所掺相变材料相对应的外场，使其快速凝结硬化，推动3D打印结构向超多层方向发展。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，步骤如下：将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料；所述水泥基材料包括复配水泥、相变材料、减水剂、缓凝剂、触变剂、石英砂、粉煤灰、硅灰、纳米黏土以及水。

在外场作用下，3D打印水泥基材料中所掺加的相变材料可以发生对应的相变，促使水泥基材料在短时间内快速凝结固化，早期强度提高，实现3D超多层打印结构的要求。

作为本发明的一种改进，所述水泥基材料的原料组成及其质量百分含量如下：复配水泥50-70%、相变材料5-15%、减水剂0.5-1.5%、缓凝剂0.5-1.5%、触变剂0.5-2.5%、石英砂0-15%、粉煤灰0-20%、硅灰0-15%、纳米黏土0-2.5%，其余为水。

作为本发明的一种改进，所述复配水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥的混合物，二者的强度等级相同，其中硫铝酸盐水泥具备快硬早强的特性，同时其原料的来源不限于自然界矿石，也包括各种固废烧结得来。

作为本发明的一种改进，所述硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥的质量比为3-12:1。

作为本发明的一种改进，所述相变材料为光相变材料、热相变材料、声相变材料、磁相变材料以及气相变材料中的任意一种或几种。

作为本发明的一种改进，所述施加的外场为光场、热场、声场、磁场以及气氛场中的任意一种或几种。

作为本发明的一种改进，步骤如下：

（1）将硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥按比例混合得到复配水泥待用；

（2）将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量后混匀得到粉料待用；

（3）将步骤（1）的混合料以及步骤（2）的混合料进行混合后，加水搅拌，并加入相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；

（4）将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。

采用上述方法制备一种快速高效3D打印水泥基材料的技术原理主要如下：

首先，本发明采用的硫铝酸盐水泥本身就能实现快速凝结硬化，且具有早期强度，但为了能够进一步缩短凝结硬化时间，引入普通硅酸盐水泥，有研究表明适量普通硅酸盐水泥的掺入可以提高混合料的水化速度并提高整个水泥体系的早期强度。其次，3D打印水泥基材料，还需要良好的流变性能，石英砂、缓凝剂、减水剂和粉煤灰能够有效的改善浆体的流动性，提高工作性能，硅灰和纳米黏土对浆体的粘聚性和堆积性影响明显，触变剂的加入则对浆体的触变性能影响显著。最后，掺加的相变材料和水泥基材料均匀混合，调节流变参数，在挤出堆积以后，施加与所掺相变材料相对应的外场，可以主动控制水泥基材料在短时间内快速形成强度，实现3D超多层打印结构。

由于采用了以上技术，本发明较现有技术相比，具有的有益效果如下：

本发明使该材料具有优良的施工性能，操作方便，适合用于3D打印挤出堆积式施工，所得3D打印水泥基材料不仅流动性好，具有优良的可建造性，而且还具有很好的粘塑性、层叠加施工不会出现流淌、坍塌现象，打印层与层之间可形成良好的衔接，易于施工，同时在相变材料和施加对应外场的共同作用下，可以主动提高混合料的凝结固化速度，形成早期强度，后期强度可持续发展，适用于3D超多层打印结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。

实施例1：

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，主要原料组成及其质量百分含量如下：硫铝酸盐水泥58%、普通硅酸盐水泥5%、光相变材料10%、减水剂1%、缓凝剂0.5%、石英砂4%、触变剂1%、粉煤灰15%、硅灰5%、纳米黏土0.5%，适量水。

主要制备方法是将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥按比例复配，搅拌均匀后待用，得到复配水泥；将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量混匀后得到粉料待用；向混合料中加入适量水搅拌，控制水胶比为0.4，并加入光相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。

实施例2：

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，主要原料组成及其质量百分含量如下：硫铝酸盐水泥49%、普通硅酸盐水泥6%、热相变材料12%、减水剂0.5%、缓凝剂1%、触变剂1.5%、石英砂10%、粉煤灰10%、硅灰9%、纳米黏土1%，适量水。

主要制备方法是将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥按比例复配，搅拌均匀后待用，得到复配水泥；将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量后混匀得到粉料待用；向混合料中加入适量水搅拌，控制水胶比为0.42，并加入热相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。

实施例3：

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，主要原料组成及其质量百分含量如下：硫铝酸盐水泥48%、普通硅酸盐水泥10%、磁相变材料10%、减水剂0.8%、缓凝剂1.2%、触变剂1%、石英砂6%、粉煤灰11%、硅灰10%、纳米黏土2%，适量水。

主要制备方法是将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥按比例复配，搅拌均匀后待用，得到复配水泥；将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量后混匀得到粉料待用；向混合料中加入适量水搅拌，控制水胶比为0.45，并加入磁相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。

实施例4：

一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，主要原料组成及其质量百分含量如下：硫铝酸盐水泥46%、普通硅酸盐水泥9%、气相变材料8%、减水剂0.6%、缓凝剂1.1%、触变剂2.2%、石英砂10%、粉煤灰13%、硅灰8%、纳米黏土2.1%，适量水。

主要制备方法是将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥按比例复配，搅拌均匀后待用，得到复配水泥；将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量后混匀得到粉料待用；向混合料中加入适量水搅拌，控制水胶比为0.5，并加入气相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的原理或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于，步骤如下：将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料；所述水泥基材料包括复配水泥、相变材料、减水剂、缓凝剂、触变剂、石英砂、粉煤灰、硅灰、纳米黏土以及水。

2.根据权利要求1所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于，所述水泥基材料的原料组成及其质量百分含量如下：复配水泥50-70%、相变材料5-15%、减水剂0.5-1.5%、缓凝剂0.5-1.5%、触变剂0.5-2.5%、石英砂0-15%、粉煤灰0-20%、硅灰0-15%、纳米黏土0-2.5%，其余为水。

3.根据权利要求2所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于：所述的复配水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥的混合物。

4.根据权利要求3所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于：所述硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥的质量比为3-12:1。

5.根据权利要求2所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于：所述的相变材料为光相变材料、热相变材料、声相变材料、磁相变材料以及气相变材料中的任意一种或几种。

6.根据权利要求2所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于：所述施加的外场为光场、热场、声场、磁场以及气氛场中的任意一种或几种。

7.根据权利要求1-6所述的一种快速高效3D打印水泥基材料制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）将硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥按比例混合得到复配水泥待用；

（2）将复配水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰和纳米黏土按比例称量后混匀得到粉料待用；

（3）将步骤（1）的混合料以及步骤（2）的混合料进行混合后，加入水搅拌，并加入相变材料、减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌均匀后待用；

（4）将搅拌好的水泥基材料装入3D打印机并挤出，然后在施加的外场作用下，即可得到3D打印水泥基材料。