CN110540394B - 一种适用于3d打印混凝土剪切力墙的材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明以硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、生石灰、20‑40目石英砂、50‑80目石英砂、减水剂、缓凝剂、可分散性乳胶粉、聚丙烯短纤维和水作为原材料，通过调节胶凝材料、掺合料、骨料和外加剂的品种，制备得到具有力学强度高、初始流动性好、打印施工便利，并达到高层建筑物对混凝土强度与耐久性能的要求，同时还要保证打印构件的抗坍塌性及美观性，适用于现浇施工作业3D打印混凝土材料。

Description

一种适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，具体涉及一种适用于3D大于混凝土剪切力墙的材料及其制备方法。

背景技术

随着科技进步和技术发展，3D打印技术突飞猛进，进入制造行业的各个领域。3D打印技术是指通过可以“打印”出真实三维物体的打印机，采用分层加工、叠加成型的方式逐层加材料来最终制造出立体实物。由于具体堆叠的形式有很多种，因此产生了多种3D打印工艺，每种工艺能够打印的材料类型也不相同，但是基本原理一样，那就是“分层制造，逐层叠加”，也称为“增材制造”。

建筑3D打印技术是3D打印技术的有益拓展，是建筑发展史上的重大转折，更是绿色建筑领域的重大革新。其原理是在3D打印技术的基础上发展起来的应用于水泥或混凝土施工的新技术，采用逐层堆叠加工技术生成建筑的方式，就能直接快速打印水泥异形构件、建筑墙体、整体房屋。支撑建筑3D打印技术的关键核心技术为3D打印材料，尤其是水泥基3D打印材料，也称打印油墨材料，该材料的本质为一种具有快硬、早强、高强特性的建筑材料。据调研表明，目前，美国人采用树脂砂浆类、粘土类、混凝土类材料进行了3D打印，荷兰的专家已采用了树脂和塑料类的材料，我国诸多科研院所和企事业单位对3D打印基水泥材料进行了研究，例如山东大学、中国建筑等，部分科研人员提出利用建筑物废弃材料作为建筑3D打印材料的原料，与水泥、纤维和有机粘合剂等进行混合，制成牙膏状的“油墨”进行打印。

就目前3D打印技术在建筑领域的发展和使用而言，在我国，建筑3D打印由于缺乏相应的实施标准以及建筑3D打印安全性还有待商讨，目前建筑3D打印所采用的材料还不成熟。现在各国试验的3D打印建筑多为1～2层。这样的建筑材料抗压强度可在1.5～3.5MPa就能使建筑物矗立。但要是打印材料能满足多层甚至小高层建筑在7度地震烈度地区的安全要求，则适于建筑3D打印材料的最低抗压强度要达到20.0MPa，要满足高层、超高层建筑在相同地震烈度地区的安全要求，抗压强度应达到35.0MPa以上，关于建筑3D打印材料的标准一直处于空白状态，国外关于建筑3D打印的相关研究大部分是采用硅酸盐水泥，然后添加外加剂进行改进，打印效果可以完全没有任何问题，但是打印材料的制作成本却很高，全面的普及这样的技术不现实。

现有的一般硅酸盐水泥材料凝结时间长，通常凝结时间6～10小时，终凝时间24小时左右，通常不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求；且水泥浆体一般呈流动性，无法满足3D打印过程中的竖直堆积性能。要想使水泥浆满足打印要求，则需要添加大量地外加剂，这样又会导致其成本大大增加，所以并不是建筑3D打印材料的最佳选择。硫铝酸盐胶凝材料有一巨大优势就是速凝、快硬、早强。不同于其他水泥，硫铝酸盐水泥可以大大降低建筑3D打印材料制备的成本。如何利用硫铝酸盐与普通硅酸盐水泥相结合胶凝材料，通过合适的外加剂改进、骨料、制造低成本而高性能的建筑3D打印材料，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的难点，特提供一种适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料，并提供其制备方法，具体的，通过调节胶凝材料、掺合料、骨料和外加剂的品种，制备得到具有力学强度高、初始流动性好、打印施工便利，并达到高层建筑物对混凝土强度与耐久性能的要求，同时还要保证打印构件的抗坍塌性及美观性，适用于现浇施工作业3D打印混凝土材料。

为实现上述目的，本发明适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料，由以下重量份原料制备而成：硅酸盐水泥600-700份；硫铝酸盐水泥40-100份；硅灰60-120份；生石灰15-30份；20-40目石英砂490-750份；50-80目石英砂490-750份；减水剂8-10份；缓凝剂4-6份；可分散乳胶粉4-5份；聚丙烯短纤维3-5份；水300-330份。

优选的，适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料由以下重量份原料制备而成：硅酸盐水泥648份；硫铝酸盐水泥80份；硅灰80份；生石灰20份；20-40目石英砂621份；50-80目石英砂621份；减水剂8.28份；缓凝剂5份；可分散乳胶粉5份；聚丙烯短纤维3.5份；水315份。

优选的，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。

优选的，所述缓凝剂为柠檬酸和硼酸的组合，更优选的，所述缓凝剂中柠檬酸与硼酸质量比为1.2:1，缓凝剂主要针对硫铝酸盐水泥的水化起到进行强缓凝作用，同时对硅酸盐水泥的水化有微缓凝作用，从而满足3D打印混凝土的施工要求。

本发明选用可分散性乳胶粉，调节材料的流动性、凝结时间，增强材料的抗触变性，改善材料的表观。

本发明优选聚丙烯短纤维作为3D打印混凝土的抗折强化材料，更优选采用12mm的聚丙烯短纤维。

本发明采用硅灰作为主要掺合料，利用其高比表面积、高水化活性的早强增粘特性，避免了粉煤灰和矿粉带来的浆体粘度低、易泌水、早期强度低引起的3D打印混凝土易坍塌的施工缺陷。

优选的，生石灰主要成分为氧化钙，生石灰遇水开始熟化，氧化钙粒子逐渐形成氢氧化钙胶体结构，颗粒极细，比表面积很大，其表面吸附一层较厚的水膜，可吸附大量的水，因而有较强保持水分的能力，保水性好，将它掺入水泥基材料中，可显著提高浆体的和易性并提高浆体稠度，与硅灰共同发挥作用，使水泥浆体在打印施工时形成膏状，便于打印。

优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，更优选的，所述聚羧酸减水剂为非缓释非保坍型的普通聚羧酸减水剂，是一类以丙烯酸或甲基丙烯酸为主链,接枝不同侧链长度的聚醚类高分子，合成单体为甲基烯丙基聚氧乙烯醚和丙烯酸，其中，所述聚羧酸减水剂原料摩尔比为：甲基烯丙基聚氧乙烯醚：丙烯酸：巯基乙酸：双氧水：VC＝1:4.2:0.13:0.23:0.03，该减水剂减水率高，用其制备的水泥浆具有良好的初始流动度，但由于减水剂基本不具有缓释保坍效果，水泥浆流动性经时损失较大，尤其在1h后更为明显，该减水剂可保证水泥浆制备和打印前具有良好和易性和流动性，以便打印泵送，当施工时流动性的损失使其维持膏状，以便打印施工进行和打印形成的剪切力墙形状的维持；另一方面，减水剂制备单体为最普通最廉价的不饱和单体，制备而成的聚羧酸减水剂成本相比于市面上缓释、保坍类聚羧酸减水剂显著降低。

本发明所采用原料均可市购，原料廉价易得，来源广泛。

本发明适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按质量份称取各原料；

2)将减水剂、缓凝剂混合均匀制备成为外加剂备用；

3)将硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、硅灰、生石灰、20-40目石英砂、50-80目石英砂加入搅拌机进行混拌，混拌均匀后加入可分散乳胶粉和聚丙烯短纤维搅拌均匀，得干料；

4)将外加剂和水投入搅拌机与干料拌和均匀，得到3D打印混凝土材料；

5)将已经拌合好的3D打印混凝土材料，从搅拌机出料进入混凝土3D打印系统，由电脑预设程序进行剪切力墙3D打印即可。

优选的，所述搅拌机为立轴强制搅拌机或卧式双轴强制型搅拌机，其可使混3D打印凝土剪切力墙材料充分分散，原料混合过程中存在结团时，应适当延长搅拌时间。

本发明还涉及上述3D打印混凝土剪切力墙材料在建筑物构建3D打印现浇施工中的应用。

本发明具有如下技术优势：

1.力学强度高：本发明以硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，并添加硫铝酸盐水泥，利用硫铝酸盐水泥的早强快硬特性提高3D打印混凝土的凝结时间和早期强度；硅灰属于高活性掺合料，生石灰同样具有水化活性，可形成凝胶提供力学性能，并且生石灰提高水泥基材料碱度，有利于进一步激发硅灰活性；采用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰和生石灰作为活性材料，可大幅提高3D打印混凝土力学性能，满足剪切力墙的力学性能要求。

2.施工性能好：本发明采用硅灰和生石灰作为掺合料，硅灰比表面积大，生石灰熟化过程中可显著提高砂浆的和易性并提高浆体稠度，硅灰和生石灰的添加有利于施工时水泥浆体变为膏状；针对性地设计缓凝剂，对硫铝酸盐水泥水化起到强缓凝作用，同时对硅酸盐水泥的水化有微缓凝作用，采用非缓释非保坍型的普通聚羧酸减水剂，利用其高减水、流动性损失的特性，可保证水泥浆制备和打印前具有良好和易性和流动性，以便打印泵送，当施工时流动性的损失使其维持膏状，以便打印施工进行和打印形成的剪切力墙形状的维持，辅以可分散乳胶粉的调节作用，实现良好的施工性能。

3.体积稳定性好：本发明添加硫铝酸盐水泥和生石灰，两者均具有微膨胀效果，并且生石灰熟化生成的氢氧化钙胶体结构具有保水能力，可降低硅酸盐水泥和硅灰凝结过程中产生的体积收缩，同时添加聚丙烯短纤维，共同避免剪切力墙发生开裂。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、生石灰、20-40目石英砂、50-80目石英砂、减水剂、缓凝剂、可分散性乳胶粉、聚丙烯短纤维和水作为原材料，其中缓凝剂为柠檬酸与硼酸质量比为1.2:1混合物，聚羧酸减水剂原料摩尔比为：甲基烯丙基聚氧乙烯醚：丙烯酸：巯基乙酸：双氧水：VC＝1:4.2:0.13:0.23:0.03。采用如下步骤制备一种适用于3D打印混凝土剪切力墙材料：

1)按质量份称取各原料；

2)将减水剂、缓凝剂混合均匀制备成为外加剂备用；

3)将硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、硅灰、生石灰、20-40目石英砂、50-80目石英砂加入搅拌机进行混拌，混拌均匀后加入可分散乳胶粉和聚丙烯短纤维搅拌均匀，得干料；

4)将外加剂和水投入搅拌机与干料拌和均匀，得到3D打印混凝土材料；

5)将已经拌合好的3D打印混凝土材料，从搅拌机出料进入混凝土3D打印系统，由电脑预设程序进行剪切力墙3D打印即可。

通过调整各原料添加比例，使用跳桌流动度测试仪测试其流动度，使用水泥砂浆凝结时间测试仪测试其凝结时间，配合比见表1，测试结果见表2。

表1 3D打印混凝土剪切力墙材料配料表

表2 3D打印混凝土剪切力墙材料测试结果

试验结果表明，通过采用42.5级硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，并辅以硅灰和生石灰，3D打印混凝土剪切力墙材料呈现早期强度和后期强度均较高的效果，采用聚羧酸高性能减水剂复配具有一定针对性作用的缓凝剂有助于流动性动态控制，便于施工。加入生石灰，具有较强保持水分的能力，可显著提高砂浆的和易性并提高浆体稠度，形成膏状，便于打印。硫铝酸盐水泥、生石灰的添加有助于产生微膨胀效应，避免产生微裂缝。

实施例2

适用于3D打印混凝土剪切力墙材料的使用方法，是将按配合比制备的3D打印混凝土材料通过机械输送至3D打印机的打印喷头内，在3D打印机操作平台上打开预先设计的模型中，点击开始打印。其中打印机喷头50mm,单层打印高度30mm,行走速率5cm/s，层与层打印间隔60s。

通过对本发明3D打印混凝土剪切力墙材料进行3D打印测试，观察结果：打印时间控制在1h以内，打印过程无堵塞现象，挤出时表面更光滑，混凝土力学强度高，混凝土收缩少无裂纹,打印效果良好，外观美观。

实施例3

通过调整各原料添加比例，使用跳桌流动度测试仪测试其流动度，使用水泥砂浆凝结时间测试仪测试其凝结时间，其中编号5减水剂采用缓释型聚羧酸减水剂，使用跳桌流动度测试仪测试其流动度，使用水泥砂浆凝结时间测试仪测试其凝结时间，配合比见表3，测试结果见表4。

表3 3D打印混凝土剪切力墙材料配料表

表4 3D打印混凝土剪切力墙材料测试结果

由编号5和编号6试验结果表明，若采用缓释型聚羧酸减水剂，或不添加硫铝酸盐水泥和生石灰，3D打印混凝土剪切力墙材料呈现主要问题的3D打印材料流动度过大，粘度低，早期水化反应速率慢，凝结时间过长，在连续打印过程存在建筑物构件形态不稳定存在垮塌现象，无法满足现场剪切力墙混凝土3D打印浇筑连续施工的要求。并且打印材料混凝土收缩严重，外观不美观。

由编号7试验结果表明，通过不采用缓凝剂、可分散乳胶粉、3D打印材料流动性差，流动度损失过快，凝结时间短，打印过程容易出现堵塞喷头的问题，无法满足现场剪切力墙混凝土3D打印浇筑连续施工的要求。

Claims (5)

1.一种适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料，其特征在于，由以下重量份原料制备而成：硅酸盐水泥600-700份；硫铝酸盐水泥40-100份；硅灰60-120份；生石灰15-30份；20-40目石英砂490-750份；50-80目石英砂490-750份；减水剂8-10份；缓凝剂4-6份；可分散乳胶粉4-5份；聚丙烯短纤维3-5份；水300-330份，所述缓凝剂为柠檬酸和硼酸的组合，所述缓凝剂中柠檬酸与硼酸质量比为1.2∶1，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述聚羧酸减水剂为非缓释非保坍型的普通聚羧酸减水剂，合成单体为甲基烯丙基聚氧乙烯醚和丙烯酸，所述聚羧酸减水剂原料摩尔比为：甲基烯丙基聚氧乙烯醚∶丙烯酸∶巯基乙酸∶双氧水∶VC＝1∶4.2∶0.13∶0.23∶0.03。

2.根据权利要求1所述的适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料，其特征在于，由以下重量份原料制备而成：硅酸盐水泥648份；硫铝酸盐水泥80份；硅灰80份；生石灰20份；20-40目石英砂621份；50-80目石英砂621份；减水剂8.28份；缓凝剂5份；可分散乳胶粉5份；聚丙烯短纤维3.5份；水315份。

3.根据权利要求1-2任一项所述的适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1-3任一项所述的适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按质量份称取各原料；2)将减水剂、缓凝剂混合均匀制备成为外加剂备用；3)将硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、硅灰、生石灰、20-40目石英砂、50-80目石英砂加入搅拌机进行混拌，混拌均匀后加入可分散乳胶粉和聚丙烯短纤维搅拌均匀，得干料；4)将外加剂和水投入搅拌机与干料拌和均匀，得到3D打印混凝土材料；5)将已经拌合好的3D打印混凝土材料，从搅拌机出料进入混凝土3D打印系统，由电脑预设程序进行剪切力墙3D打印即可。

5.根据权利要求4所述的适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌机为立轴强制搅拌机或卧式双轴强制型搅拌机。