CN111393046A - 一种高性能3d打印水泥及其制备方法 - Google Patents

一种高性能3d打印水泥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能3D打印水泥，其特征在于，以重量百分比计，所述水泥包括80％‑100％的硅酸盐质胶凝材料和0％‑20％的高贝利特硫铝酸盐水泥。该3D打印水泥的制备方法包括：混合专用水泥熟料和石膏的混合物、混合材料，并加入助磨剂磨制成硅酸盐质胶凝材料；按相应配方量提取高贝利特硫铝酸盐水泥；均匀混合硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥，制得高性能3D打印水泥。本发明实施例制备的材料具有可打印性、较强的粘聚性和较快的凝固性，以解决现有3D打印水泥存在的材料流动性差、不易粘聚、凝结等待时间过长和打印材料落位后发生坍塌、变形等问题。

Description

一种高性能3D打印水泥及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种高性能3D打印水泥及其制备方法。
背景技术
随着科技水平的不断提高，3D打印技术正快速改变着人们的生产及生活方式。在建筑行业中，应用3D打印技术的“轮廓工艺”，根据设计图的指示，喷嘴在指定地点挤出建筑材料，通过逐层打印的方式来构造物体。由于逐层堆叠的构造方式，3D打印建筑对打印材料的和易性、快速凝固性、抗压性、抗折性等有较高的要求。因此，材料是3D打印技术发展的重要物质基础，建筑3D打印技术的实现离不开材料，材料的发展在很大程度上决定着3D打印技术能否有更广泛的应用。
目前，在3D打印建筑领域中，大部分建筑用3D打印材料是在传统建筑原材料的基础上，对混凝土材料的改进与升级。依据建筑材料的使用性、施工性、经济性原则，通过对以水泥、矿物掺合料及固废粉体等为主的胶凝材料体系的改性和优化，研制开发出满足建筑用3D打印水泥是当前3D打印技术在建筑工程施工中应用的关键。但是现阶段可用于建筑施工3D打印的水泥非常短缺，一方面由于施工方式的特殊性，对3D打印水泥各方面的性能要求高，另一方面所配制的3D打印水泥还需与3D打印机的工作参数相匹配。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高性能3D打印水泥的制备方法，使得制备得到的3D打印水泥具有可打印性、较强的粘聚性和较快的凝固性，保证3D打印水泥能顺利从打印机的喷头中喷出，可连续打印使水泥逐层堆叠，并能快速凝固，以解决现有3D打印水泥存在的材料流动性差、不易粘聚、凝结等待时间过长和打印材料落位后发生坍塌、变形等问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能3D打印水泥的制备方法，使得制备得到的3D打印水泥具有可打印性、较强的粘聚性和较快的凝固性，保证3D打印水泥能顺利从打印机的喷头中喷出，可连续打印使水泥逐层堆叠，并能快速凝固，以解决现有3D打印水泥存在的材料流动性差、不易粘聚、凝结等待时间过长和打印材料落位后发生坍塌、变形等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高性能3D打印水泥，其特征在于，以重量百分比计，所述水泥包括80％-100％的硅酸盐质胶凝材料和0％-20％的高贝利特硫铝酸盐水泥。
本发明还提供了一种高性能3D打印水泥的制备方法，包括：
S100、混合专用水泥熟料和石膏的混合物、混合材料，并加入助磨剂磨制成硅酸盐质胶凝材料；
S200、按相应配方量提取高贝利特硫铝酸盐水泥；
S300、均匀混合硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥，制得高性能3D打印水泥；
S400、对所述高性能3D打印水泥进行性能测试。
本发明的有益效果在于：
本发明实施例在制备高性能3D打印水泥的过程中，通过对以水泥、矿物掺合料及固废粉体等为主的胶凝材料体系的改性和优化，通过精细的选择和特定的配比设计，达到良好的可建造性和可打印性效果，使所制得的3D打印水泥满足建筑工程施工中的各项性能要求。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的制备方法流程图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明提供的制备一种高性能3D打印水泥的原材料以硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥为主要原料，通过精细的原料挑选和特定的配比设计，均匀混合硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥得到所述高性能3D打印水泥。
本发明提供的制备高性能3D打印水泥的原材料包括80％-100％的硅酸盐质胶凝材料和0％-20％的高贝利特硫铝酸盐水泥，其中，所述硅酸盐质胶凝材料由80％-100％的专用水泥熟料和石膏的混合物、0％-20％的混合材料、0.02％-0.04％的助磨剂磨制而成，强度等级为52.5级，初凝时间≥90min，终凝时间≤600min，比表面积为350m2/kg-450m2/kg，密度为3.0m3/kg-3.5m3/kg；所述高贝利特硫铝酸盐水泥的比表面积为450m2/kg-650m2/kg，密度为2.8m3/kg-3.0m3/kg，强度等级为42.5级，初凝时间≥28min，终凝时间≤90min。
如图1本发明的一个较佳实施例的制备方法流程图所示，包括以下步骤：
S100、混合专用水泥熟料和石膏的混合物、混合材料，并加入助磨剂磨制成硅酸盐质胶凝材料
其中，所述专用水泥熟料中的C3S含量在75％-85％之间，硅酸盐质胶凝材料中各组分质量百分含量为专用水泥熟料和石膏的混合物：80％-100％、混合材料：0％-20％、助磨剂：0.02％-0.04％；
S200、按相应配方量提取高贝利特硫铝酸盐水泥
其中，所述高贝利特硫铝酸盐水泥质量百分含量为0％-20％；
S300、均匀混合硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥，制得高性能3D打印水泥；
S400、对所述高性能3D打印水泥进行性能测试
其中，测试包括参照国家标准《GB/T17671-1999水泥胶砂强度试验》方法对本实施例材料进行抗压强度测试和利用水泥砂浆填缝枪对本实施例材料进行模拟挤出性及建造性试验。
下面通过6个实施例来具体说明本发明的实施方式和效果。
实施例1 80％的硅酸盐质胶凝材料配比20％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料80％、高贝利特硫铝酸盐水泥20％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
实施例2 82％的硅酸盐质胶凝材料配比18％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料82％、高贝利特硫铝酸盐水泥18％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
实施例3 85％的硅酸盐质胶凝材料配比15％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料85％、高贝利特硫铝酸盐水泥15％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
实施例4 90％的硅酸盐质胶凝材料配比10％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料90％、高贝利特硫铝酸盐水泥10％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
实施例5 95％的硅酸盐质胶凝材料配比5％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料95％、高贝利特硫铝酸盐水泥5％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
实施例6 98％的硅酸盐质胶凝材料配比2％的高贝利特硫铝酸盐水泥
本实施例中将硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥按照一定配比混合均匀，其中，硅酸盐质胶凝材料98％、高贝利特硫铝酸盐水泥2％；其中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5，高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5；本实施例将配方量的硅酸盐质胶凝材料、高贝利特硫铝酸盐水泥进行搅拌得到3D打印水泥。
以上实施例1-6相关性能的检测标准与方法为：参照国家标准《GB/T17671-1999水泥胶砂强度试验》方法对本实施例材料进行抗压强度测试和利用水泥砂浆填缝枪对本实施例材料进行模拟挤出性及建造性试验，其中
用3D打印水泥配制3D打印混凝土进行挤出性试验：
1)可连续挤出50cm不发生中断和堵塞，不出现泌水和离析；
2)挤出带状宽度不超过挤出口径的1.2倍。
用3D打印水泥配制3D打印混凝土进行可建造性试验：
1)在自重作用下每隔1或0.5分钟测试一次，纵向应变小于10％；
2)在3倍自重压力的作用下，每隔1或0.5分钟测试一次，纵向应变小于20％。
对实施例1-6制得的高性能3D打印水泥进行性能检测、挤出性及可建造性试验结果如表1、表2所示：
表1高性能3D打印水泥性能检测表
Figure BDA0001927075880000041
由表1看出实施例5和实施例6在加入配比5％以下的高贝利特硫铝酸盐水泥的情况下，初凝时间和终凝时间较实施例1-4的初凝时间和终凝时间较长，即高贝利特硫铝酸盐水泥的含量过低会导致初凝时间和终凝时间延长；在抗压强度和抗折强度上，实施例1-2要高于其他实施例；从流动度上看，实施例1-6制备得到的材料均表现出较好的流动性。
表2高性能3D打印水泥可挤出性和可建造性表
Figure BDA0001927075880000051
由表2可见，实施例2和实施例3制得的高性能3D打印水泥不中断长度最长，为58cm，可挤出性最强，且上述两个实施例制备的材料在3倍自重下纵向应变均小于20％，可建造性也较优，同时，由实施例1、5、6也可看出，高贝利特硫铝酸盐水泥过低(或硅酸盐质胶凝材料含量过高)均会导致打印材料易中断、可建造性低等问题。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高性能3D打印水泥，以重量百分比计，所述水泥包括：
80％-100％的硅酸盐质胶凝材料和0％-20％的高贝利特硫铝酸盐水泥。
2.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，优选的，所述硅酸盐质胶凝材料由80％-100％的专用水泥熟料和石膏的混合物、0％-20％的混合材料、0.02％-0.04％的助磨剂磨制而成。
3.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述硅酸盐质胶凝材料的强度等级为52.5级。
4.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述硅酸盐质胶凝材料的初凝时间≥90min，终凝时间≤600min。
5.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述硅酸盐质胶凝材料的比表面积为350m2/kg-450m2/kg，密度为3.0m3/kg-3.5m3/kg。
6.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述高贝利特硫铝酸盐水泥的比表面积为450m2/kg-650m2/kg，密度为2.8m3/kg-3.0m3/kg。
7.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级。
8.如权利要求1所述的高性能3D打印水泥，其中，所述高贝利特硫铝酸盐水泥的初凝时间≥28min，终凝时间≤90min。
9.如权利要求1-8任意一项权利要求所述的高性能3D打印水泥的制备方法，包括以下步骤：
S100、混合专用水泥熟料和石膏的混合物、混合材料，并加入助磨剂磨制成硅酸盐质胶凝材料；
S200、按相应配方量提取高贝利特硫铝酸盐水泥；
S300、均匀混合硅酸盐质胶凝材料和高贝利特硫铝酸盐水泥，制得高性能3D打印水泥；
S400、对所述高性能3D打印水泥进行性能测试。
10.如权利要求9所述的制备方法，其中，所述步骤S100中专用水泥熟料中的C3S含量在75％-85％之间。
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