CN111517740B - 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111517740B
CN111517740B CN202010386453.8A CN202010386453A CN111517740B CN 111517740 B CN111517740 B CN 111517740B CN 202010386453 A CN202010386453 A CN 202010386453A CN 111517740 B CN111517740 B CN 111517740B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cement
composite material
based composite
printing
water reducing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010386453.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111517740A (zh
Inventor
龙武剑
林璨
陶洁琳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN202010386453.8A priority Critical patent/CN111517740B/zh
Publication of CN111517740A publication Critical patent/CN111517740A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111517740B publication Critical patent/CN111517740B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/14—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing calcium sulfate cements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B18/00—Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B18/04—Waste materials; Refuse
    • C04B18/06—Combustion residues, e.g. purification products of smoke, fumes or exhaust gases
    • C04B18/08—Flue dust, i.e. fly ash
    • C04B18/082—Cenospheres
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Producing Shaped Articles From Materials (AREA)

Abstract

本发明提供了一种用于3D打印的水泥基复合材料，以20～30wt％的水泥作为基本原料，协同12～18wt％的煅烧黏土、6～9wt％的石灰石粉、2～3wt％的石膏、0.1～0.2wt％的减水剂、5～20wt％的漂珠、10～42wt％的砂石和水各组分混合得到用于3D打印的水泥基复合材料，用于3D打印的水泥基复合材料具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，具有较广泛的应用。

Description

一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种用于3D打印的水泥基复合材料以及一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法。
背景技术
目前，建筑行业的快速发展极大加速了混凝土材料的生产及消耗，传统混凝土材料的生产制备会产生大量的二氧化碳，同时造成大量的资源消耗，导致生态环境的超负荷。3D打印技术是近30年来快速发展的新型制造技术（即增材制造），逐渐受到建筑行业的广泛关注。与传统建筑施工方法相比，在建筑行业中引入3D打印技术具有巨大的优势。3D打印技术通过数字模型和分层制造的方法实现整体成型，减少了一系列繁琐的步骤，可以制造出传统方式很难建造的复杂多样化建筑，且无需使用模板，降低了建筑成本；不需数量庞大的建筑工人，降低了施工中的安全风险；并且可以有效地利用建筑材料，减少了资源浪费，大大减少水泥需求量，同时可减少建筑垃圾，具有低碳、绿色、环保的特点，在建筑行业有广泛应用的潜力。
然而，3D打印技术在建筑行业的快速应用依赖于开发更加符合3D打印技术的高性能水泥基复合材料。与传统的水泥混凝土相比，3D打印技术对水泥基复合材料的施工性能、力学性能、功能性等均提出更高的要求。首先，打印所用的水泥基材料须具备一定的可流动性，在打印挤出前能够均匀连续的在管道中进行输送；3D打印用水泥基材料还需要具备良好的触变性，在打印时可以挤出均匀的连续条，在打印后具备良好的结构恢复能力，更快地使材料内部乃至整个打印构件达到稳定状态；打印材料中骨料颗粒大小由打印头的大小决定，应严格控制骨料尺寸级配，以防打印过程中发生堵塞；另外，打印水泥基材料应具有良好的粘结性，可以保证打印各层打印条能够实现紧密的粘结，改善层与层间的间隙问题，减少性能薄弱的层间过渡区域。最后，打印材料需具有足够的可操作时间，使材料具有足够长时间的可施工性，如好的可挤出性、可建造性、触变性和粘结性等。
目前，为了使3D打印的水泥基复合材料能够满足上述特殊性能，通常在材料设计中通常加入多种添加剂（如速凝剂、缓凝剂、膨胀剂、粘结剂、引气剂、保塑剂等），导致制备工序繁多、水泥材料触变性差且粘附力弱，影响打印产品的稳定性，同时，水泥基复合材料较大的自重也影响其打印后的形状维持能力，在一定程度上限制了打印的层数，影响打印流程的连续性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中用于3D打印的水泥基复合材料触变性差、粘附性不强且自重过大的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种用于3D打印的水泥基复合材料，以所述水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：
水泥 20~30 wt%；
煅烧黏土 12~18 wt%；
石灰石粉 6~9 wt%；
石膏 2~3 wt%；
减水剂 0.1~0.2 wt%；
漂珠 5~20 wt%；
砂石 10~42 wt%；
水余量。
第二方面，本发明提供一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
按照所述的水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；
将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏和所述第一混合料混合，得到粉体材料；
将减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
将所述粉体材料和所述减水剂溶液混合，得到所述水泥基复合材料。
本发明提供的用于3D打印的水泥基复合材料，以20~30 wt%的水泥作为基本原料，协同12~18 wt%的煅烧黏土、6~9 wt%的石灰石粉、2~3 wt%的石膏、0.1~0.2 wt%的减水剂、5~20 wt%的漂珠、10~42 wt%的砂石和水各组分混合得到用于3D打印的水泥基复合材料，具有以下优点：
第一，以12~18 wt%的煅烧黏土代替部分水泥作为原料，减少水泥的用量、提高所述用于3D打印的水泥基复合材料的环保性能；煅烧黏土与水混合能发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，能较好地与水泥结合，使材料之间具有较强的粘附性能，能够形成良好的粘结效果；同时也能提高材料的触变性，当混合料在打印挤出时，黏度会增加，其流动性会降低，在硬化过程中能保持良好的形状维持能力，在定型之后具有很好的抗变形性能，具有一定的形状维持能力，不会出现坍塌、构件侧向变形等现象；
第二，包括2~3 wt%的石膏，石膏的主要原料是硫酸钙，适量石膏能够有效的延缓水泥的水化速率，避免快凝现象的发生；能够与水结合发生水化反应，能够形成具有交联性能的凝胶产物，与水泥协同作用，能够保证制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料在制备形成产品之后，具有较高的早期强度；
第三，以5~20 wt%的漂珠和10~42 wt%的砂石作为轻骨料组分，可以显著降低用于3D打印的水泥基复合材料的自重，以减少材料在使用过程中由于自重产生的上部荷载过大的问题，且所述漂珠能与水发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，提高粘附性能，同时也能加强材料的强度；
第四，还包括0.1~0.2 wt%的减水剂，添加减水剂一方面能够提高水泥颗粒的分散效果，另一方面能够降低用于3D打印的水泥基复合材料的泌水率，减少水的用量，使复合材料减少水泥使用的过程中保持较高的强度。
因此，所述用于3D打印的水泥基复合材料具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，具有较广泛的应用。
本发明提供的一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，所述制备方法先将漂珠和砂石进行混合得到级配的混合料，分别混合所有粉体材料得到固态混合料，混合所有溶液得到液态混合料，再混合固态混合料和液态混合料得到所述用于3D打印的水泥基复合材料，该制备方法操作简单，分别混合固态组分和液态组分能够保证各组分混合均匀，使得到的用于3D打印的水泥基复合材料性能稳定，具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，可满足3D打印的使用。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将对本发明实施例中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。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
第一方面，本发明实施例提供一种用于3D打印的水泥基复合材料，以用于3D打印的水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：
水泥 20~30 wt%；
煅烧黏土 12~18 wt%；
石灰石粉 6~9 wt%；
石膏 2~3 wt%；
减水剂 0.1~0.2 wt%；
漂珠 5~20 wt%；
砂石 10~42 wt%；
水余量。
本发明提供的用于3D打印的水泥基复合材料，以20~30 wt%的水泥作为基本原料，协同12~18 wt%的煅烧黏土、6~9 wt%的石灰石粉、2~3 wt%的石膏、0.1~0.2 wt%的减水剂、5~20 wt%的漂珠、10~42 wt%的砂石和水各组分混合得到用于3D打印的水泥基复合材料，具有以下优点：
第一，以12~18 wt%的煅烧黏土代替部分水泥作为原料，减少水泥的用量、提高所述用于3D打印的水泥基复合材料的环保性能；煅烧黏土与水混合能发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，能较好地与水泥结合，使材料之间具有较强的粘附性能，能够形成良好的粘结效果；同时也能提高材料的触变性，当混合料在打印挤出时，黏度会增加，其流动性会降低，在硬化过程中能保持良好的形状维持能力，在定型之后具有很好的抗变形性能，具有一定的形状维持能力，不会出现坍塌、构件侧向变形等现象；
第二，包括2~3 wt%的石膏，石膏的主要原料是硫酸钙，适量石膏能够有效的延缓水泥的水化速率，避免快凝现象的发生；能够与水结合发生水化反应，能够形成具有交联性能的凝胶产物，与水泥协同作用，能够保证制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料在制备形成产品之后，具有较高的早期强度；
第三，以5~20 wt%的漂珠和10~42 wt%的砂石作为轻骨料组分，可以显著降低用于3D打印的水泥基复合材料的自重，以减少材料在使用过程中由于自重产生的上部荷载过大的问题，且所述漂珠能与水发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，提高粘附性能，同时也能加强材料的强度；
第四，还包括0.1~0.2 wt%的减水剂，添加减水剂一方面能够提高水泥颗粒的分散效果，另一方面能够降低用于3D打印的水泥基复合材料的泌水率，减少水的用量，使复合材料减少水泥使用的过程中保持较高的强度。
因此，所述用于3D打印的水泥基复合材料具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，具有较广泛的应用。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，水泥基复合材料以20~30wt%的水泥为基本原料。由于水泥自身密度偏大，控制水泥的添加量为20~30 wt%，降低用于3D打印的水泥基复合材料的自重，使用于3D打印的水泥基复合材料不会由于密度过大而影响使用效果。
本申请实施例中的水泥为普通水泥熟料。优选的，水泥选自硅酸盐水泥，硅酸盐水泥主要是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物组成，硅酸盐水泥具有较强的力学强度以及抗压性，作为用于3D打印的水泥基复合材料的基本原料，可保证用于3D打印的水泥基复合材料具有一定的力学强度及抗压性，能够广泛使用。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，水泥基复合材料的原材料包括12~18 wt%的煅烧黏土。其中，煅烧黏土是由硅酸盐类物质组成，12~18 wt%的煅烧黏土可代替部分水泥作为原料减少水泥的用量，提高用于3D打印的水泥基复合材料的环保性能。更重要的是，煅烧黏土与水混合能发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，能较好地与水泥结合，使材料之间具有较强的粘附性能，能够形成良好的连接效果；同时也能提高材料的触变性，当混合料在受到振动或搅拌时，黏度会降低，其流动性会增加，在使用过程中能保持良好的流动性，不会由于流动性差导致断裂而产生孔隙，在定型之后具有很好的抗变形性能，具有一定的形状维持能力，不会出现坍塌、构件侧向变形等现象。若煅烧黏土的添加量过多，制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料自重过大、流动性不足，会影响后续的使用；若煅烧黏土的添加量过少，则无法较好地改善水泥的触变性，且导致用于3D打印的水泥基复合材料过稀，限制了用于3D打印的水泥基复合材料的使用。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%计，水泥基复合材料的原材料包括6~9 wt%的石灰石粉，石灰石粉的主要原来是碳酸钙，石灰石粉作为填料进行添加，起到了填充孔隙的作用，进一步提高了材料的强度。若石灰石粉的添加量过多，制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料孔隙反而会增加，会影响后续的使用；若添加量过少，则无法较好地提高用于3D打印的水泥基复合材料的强度。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%计，水泥基复合材料的原材料包括2~3 wt%的石膏，石膏的主要原料是硫酸钙，石膏与水结合发生水化反应，能够形成具有交联性能的凝胶产物，与煅烧黏土协同作用，能够保证制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料在制备形成产品之后，一直保持较高的强度。
优选的，石灰石粉的粒径大小为10~100 μm；选择粒径大小为10~100 μm进行添加，可保证与用于3D打印的水泥基复合材料的各组分混合均匀，使用于3D打印的水泥基复合材料具有一定的力学强度；若石灰石粉的粒径过小，则无法起到较强的支撑性，影响用于3D打印的水泥基复合材料的力学强度；若石灰石粉的粒径过大，会影响用于3D打印的水泥基复合材料的流动性，影响材料的使用。
优选的，煅烧黏土与石灰石粉的重量比为（1.8~2.2）：1。控制煅烧黏土与石灰石粉的添加量，由于石灰石粉主要是作为填料起到支撑的作用，控制二者的添加比例能够保证制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料具有较高的强度。
优选的，水泥、煅烧黏土和石膏的总重量与水的重量比为1：（0.4~0.5）。其中，水泥、煅烧黏土和石膏作为用于3D打印的水泥基复合材料的主要骨料物质，与水反应均能发生水化作用，控制上述三种物质的总重量与水的重量比，保证制备得到的用于3D打印的水泥基复合材料具有一定的流动性及一定的力学强度。若水的添加量过多，则会导致水化反应过度，使复合材料内部形成孔洞，导致强度过低；若水的添加量过少，则流动性差，材料水化反应不完全，影响用于3D打印的水泥基复合材料的性能。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%计，水泥基复合材料的原材料包括5~20 wt%的漂珠和10~42 wt%的砂石；以5~20 wt%的漂珠和10~42 wt%的砂石作为轻骨料组分，可以显著降低用于3D打印的水泥基复合材料的自重，以减少材料在使用过程中由于自重产生的上部荷载过大的问题，且漂珠能与水发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，提高粘附性能，同时也能加强材料的强度。
优选的，漂珠选自粉煤灰漂珠，粉煤灰漂珠是指粉煤灰中密度小于水的空心玻璃微珠，是粉煤灰珠状颗粒中的一种。粉煤灰漂珠来源于粉煤灰，是一种轻质非金属多功能新型粉体材料，添加粉煤灰漂珠，漂珠能与水发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，提高粘附性能，同时也能提高材料的触变性。
进一步优选的，漂珠的粒径大小为150~1700 μm，控制漂珠的粒径大小，使漂珠能与砂石级配混合，且有利于发生水化反应，生成具有交联性能的凝胶产物，提高粘附性能，同时也能加强材料的强度。若漂珠的粒径过小，易造成团聚，则不利于发生水化反应，不利于粘附性能的提高；若漂珠的粒径过大，会影响用于3D打印的水泥基复合材料的流动性。
具体的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%计，水泥基复合材料的原材料包括0.1~0.2 wt%的减水剂；添加减水剂，一方面能够提高水泥颗粒的分散效果，另一方面能够降低用于3D打印的水泥基复合材料的泌水率，减少水的用量，使复合材料减少水泥使用的过程中保持较高的强度。
优选的，减水剂选自木质素磺酸盐类减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、脂肪酸系高减水剂、聚羧酸盐系高效减水剂中的至少一种。在本发明优选实施例中，减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂，聚羧酸盐系高效减水剂是一种为淡黄色或棕红色透明液体，主要成分是分子量为5000~50000 KDa的聚羧酸聚合物，选择聚羧酸盐系高效减水剂能够降低用于3D打印的水泥基复合材料的泌水率，减少水的用量，使复合材料减少水泥使用的过程中保持较高的强度，增强用于3D打印的水泥基复合材料的使用性能。
优选的，以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，还包括含量≤2.0wt%的速凝剂。添加速凝剂主要是使各组分之间迅速凝，提高反应速率。在具体使用中，根据实际情况再选择添加。
本发明实施例提供的用于3D打印的水泥基复合材料可以通过以下方法制备得到。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法。该方法包括如下步骤：
S01. 按照的用于3D打印的水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；
S02. 将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏和第一混合料混合，得到粉体材料；
S03. 将减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
S04. 将粉体材料和减水剂溶液混合，得到用于3D打印的水泥基复合材料。
本发明提供的一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，所述制备方法先将漂珠和砂石进行混合得到级配的混合料，分别混合所有粉体材料得到固态混合料，混合所有溶液得到液态混合料，再混合固态混合料和液态混合料得到所述用于3D打印的水泥基复合材料，该制备方法操作简单，分别混合固态组分和液态组分能够保证各组分混合均匀，使得到的用于3D打印的水泥基复合材料性能稳定，具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，可满足3D打印的使用。
具体的，在上述步骤S01中，按照的用于3D打印的水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分，用于3D打印的水泥基复合材料的原材料的性质及含量如上文，为了节约篇幅，此处不再进行赘述。
具体的，在上述步骤S02中，将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，根据国家标准GB/T 1468-2011规定的建筑用砂颗粒集配将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料。
进一步的，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏和第一混合料混合，得到粉体材料；其中，将原材料的固态组分进行混合，将固态组分单独混合，保证后续与液态组分混合过程中，混合更加均匀。优选的，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏和第一混合料混合的步骤中，采用搅拌的方式进行混合，其中，搅拌的转速为60~65 rpm/min；搅拌的时间为1~2分钟。此步骤中通过低速、短时间的混合处理制备得到混合料，以形成混合均匀其性能稳定的固料混合料，保证后续液态混合料加入之后能够混合均匀。
在本发明具体实施例中，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏于60~65 rpm/min搅拌30秒；加入漂珠和砂石混合得到级配的第一混合料于60~65 rpm/min搅拌1分钟得到粉体材料。
具体的，在上述步骤S03中，将减水剂和水混合，得到减水剂溶液；由于水泥、煅烧黏土、石膏与水接触即发生水化反应，若直接混合会造成部分组分直接反应，导致混合不均；因此将液态组分单独混合，保证后续与固态组分混合中可保证混合效果更优。优选的，将减水剂和水混合的步骤中，混合的方式包括但不限于采用搅拌的方式。
具体的，在上述步骤S04中，将粉体材料和减水剂溶液混合，得到用于3D打印的水泥基复合材料。优选的，将粉体材料和减水剂溶液混合的步骤中，采用搅拌的方式进行混合，其中，搅拌的方式如下：先采用转速为60~65 rpm/min的条件搅拌2~3分钟；再采用转速为115~135 rpm/min的条件搅拌2~3分钟。先进行低速缓慢搅拌，使各组分材料之间混合均匀；再进行高速快速搅拌，使混合均匀的各组分之间发生反应，使用于3D打印的水泥基复合材料具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度的优秀性质。
下面以具体实施例的内容进一步进行说明。
实施例1
一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法
用于3D打印的水泥基复合材料的原材料组分：以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：23 wt%的水泥，14 wt%的煅烧黏土、7 wt%的石灰石粉、2 wt%的石膏、0.1 wt%的减水剂、0.9 wt%速凝剂、3 wt%的粉煤灰漂珠，32 wt%的砂石，余量为水；其中，水泥选自硅酸盐水泥，减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂；漂珠的粒径大小为150～1700 μm。
用于3D打印的水泥基复合材料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：按照水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏、速凝剂于转速为62 rpm/min的条件下搅拌30秒得到第二混合料，将第一混合料和第一混合料于转速为62 rpm/min的条件下搅拌1分钟得到固体混合料；将减水剂和水手动搅拌均匀得到减水剂溶液；将粉体材料和减水剂溶液混合，混合的方式为先采用转速为62rpm/min的条件搅拌2分钟；再采用转速为120 rpm/min的条件搅拌2分钟，得到用于3D打印的水泥基复合材料。
实施例2
一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法
用于3D打印的水泥基复合材料的原材料组分：以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：25.5 wt%的水泥，15.3 wt%的煅烧黏土、7.7 wt%的石灰石粉、2.6wt%的石膏、0.1 wt%的减水剂、1 wt%速凝剂、6.9 wt%的粉煤灰漂珠，20.4 wt%的砂石，余量为水；其中，水泥选自硅酸盐水泥，减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂；漂珠的粒径大小为150～1700 μm。
用于3D打印的水泥基复合材料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：按照水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏、速凝剂于转速为62 rpm/min的条件下搅拌30秒得到第二混合料，将第一混合料和第一混合料于转速为62 rpm/min的条件下搅拌1分钟得到粉体材料；将减水剂和水手动搅拌10秒得到减水剂溶液；将粉体材料和减水剂溶液混合，混合的方式为先采用转速为62 rpm/min的条件搅拌2分钟；再采用转速为120 rpm/min的条件搅拌2分钟，得到用于3D打印的水泥基复合材料。
对比例1（没添加砂石）
一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法
用于3D打印的水泥基复合材料的原材料组分：以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：30.4 wt%的水泥，18.2 wt%的煅烧黏土、9.1 wt%的石灰石粉、3.0wt%的石膏、0.2 wt%的减水剂、1.2 wt%速凝剂、13.6 wt%的粉煤灰漂珠，余量为水；其中，水泥选自硅酸盐水泥，减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂；漂珠的粒径大小为150~1700 μm。
用于3D打印的水泥基复合材料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：按照水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏、漂珠、速凝剂于转速为62 rpm/min的条件下搅拌30秒得到第二混合料，将第一混合料和第一混合料于转速为62 rpm/min的条件下搅拌1分钟得到粉体材料；将减水剂和水搅拌均匀得到减水剂溶液；将粉体材料和减水剂溶液混合，混合的方式为先采用转速为63 rpm/min的条件搅拌2分钟；再采用转速为120 rpm/min的条件搅拌2分钟，得到用于3D打印的水泥基复合材料。
对比例2（没添加粉煤灰漂珠）
一种用于3D打印的水泥基复合材料及其制备方法
用于3D打印的水泥基复合材料的原材料组分：以水泥基复合材料的原材料的总重量为100%，包括下列组分：21 wt%的水泥，12.5 wt%的煅烧黏土、6 wt%的石灰石粉、2 wt%的石膏、0.1 wt%的减水剂、0.8wt%速凝剂、42 wt%的砂石，余量为水；其中，水泥选自硅酸盐水泥，减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂。
用于3D打印的水泥基复合材料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：按照水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏、速凝剂、砂石于转速为62 rpm/min的条件下搅拌30秒得到第二混合料，将第一混合料和第一混合料于转速为62 rpm/min的条件下搅拌1分钟得到粉体材料；将减水剂和水手动搅拌均匀得到减水剂溶液；将粉体材料和减水剂溶液混合，混合的方式为先采用转速为62 rpm/min的条件搅拌2分钟；再采用转速为120 rpm/min的条件搅拌2分钟，得到用于3D打印的水泥基复合材料。
性能测试试验
将实施例1~2和对比例1~2提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印，对制备得到的水泥基材料进行相关性能测试，即坍落度、流动性评价、触变性评价；对打印后的结构体进行相关性能测试，即建造性评价及力学性能评价。
其中，坍落度及流动性测试是根据GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》的规定，采用跳台试验对流动性能进行评价。测量砂浆在两个垂直方向上的平均流动扩展直径来表征复合材料的流动性；
触变性测试是将各实施例材料或对比例材料分3次加入量杯中，每次加入后以搅拌棒插捣密实。采用流变仪，设置剪切速率在1分钟内从0 s-1逐步增大至100 s-1，接着在1分钟内从100 s-1逐渐降低至0 s-1。采集流变仪中的流变曲线，采用Bingham模型拟合曲线求出屈服应力和塑性粘度，并计算上下行曲线围成的封闭环面积，将此面积定义为触变性。
建造性测试是测量打印结构的总坍落高度和每层的高度。首先测量打印结构的总高度，则总坍落度为设计值与实际高度之间的差值。各材料的打印构件以80 mm/s的打印速度由20 mm的打印机喷头挤出打印成型。另外，打印温度控制在25℃±5℃。
密度及力学性能测试：将试块拆模烘干48 h至质量不再减少，进行称重计算密度。并参照GB/T50081-2002《普通水泥基力学性能试验方法标准》，对本实施例材料进行抗压、抗折强度测试。
结果分析
将实施例1~2和对比例1~2提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印，对制备得到的水泥基材料进行相关性能测试，即坍落度、流动性评价、触变性评价；对打印后的结构体进行相关性能测试，即建造性评价及力学性能评价。
对实施例1制备得到的水泥基材料进行坍落度、流动性评价、触变性评价性能测试，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：对坍落度的测试，坍落度为27.0 mm；流动性评价中，流动扩展度为236.5 mm；触变性评价中，材料的屈服应力为648Pa，塑性粘度为12.5 Pa.s，触变性为22584。
对实施例1提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印得到的打印后的结构体进行建造性评价及力学性能评价，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：建造性评价中，总坍落高度为24.5mm；密度及力学性能评价中，材料的密度为1.698 kg/m3，龄期为7天时抗压强度为28.4 MPa，抗折强度为6.1 MPa；龄期为14天时抗压强度为34.9 MPa，抗折强度为7.1 MPa。
对实施例2制备得到的水泥基材料进行坍落度、流动性评价、触变性评价性能测试，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：对坍落度的测试，坍落度为22.5 mm；流动性评价中，流动扩展度为231.5 mm；触变性评价中，材料的屈服应力为643Pa，塑性粘度为13.7 Pa.s，触变性为38845。
对实施例2提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印得到的打印后的结构体进行建造性评价及力学性能评价，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：建造性评价中，总坍落高度为19.7 mm；密度及力学性能评价中，材料的密度为1.512 kg/m3，龄期为7天时抗压强度为24.2 MPa，抗折强度为5.3 MPa；龄期为14天时抗压强度为33.2 MPa，抗折强度为6.2 MPa。
对对比例1制备得到的水泥基材料进行坍落度、流动性评价、触变性评价性能测试，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：对坍落度的测试，坍落度为12.5 mm；流动性评价中，流动扩展度为220.5 mm；触变性评价中，材料的屈服应力为765Pa，塑性粘度为20.1 Pa.s，触变性为48680。
对对比例1提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印得到的打印后的结构体进行建造性评价及力学性能评价，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：建造性评价中，总坍落高度为12 mm；密度及力学性能评价中，材料的密度为1.255 kg/m3，龄期为7天时抗压强度为21.7 MPa，抗折强度为3.9 MPa；龄期为14天时抗压强度为27.3 MPa，抗折强度为5.3 MPa。
对对比例2制备得到的水泥基材料进行坍落度、流动性评价、触变性评价性能测试，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：对坍落度的测试，坍落度为36.0 mm；流动性评价中，流动扩展度为236.0mm；触变性评价中，材料的屈服应力为624Pa，塑性粘度为11.3 Pa.s，触变性为18532。
对对比例2提供的水泥基材料作为3D打印的原材料进行3D打印得到的打印后的结构体进行建造性评价及力学性能评价，每个实施例的材料重复三次，取平均值，各性能测试结果如下：密度及力学性能评价中，材料的密度为1.889 kg/m3，龄期为7天时抗压强度为32.1 MPa，抗折强度为6.0 MPa；龄期为14天时抗压强度为41.2 MPa，抗折强度为7.1 MPa。
因此，本发明实施例提供的用于3D打印的水泥基复合材料具有较轻的自重、较强的触变性及黏性，同时保持良好的流动性、塑形能力以及一定的力学强度，具有较广泛的应用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于3D打印的水泥基复合材料，其特征在于，以所述水泥基复合材料的原材料的总重量为100％，包括下列组分：
Figure FDA0003492492630000011
所述水泥选自硅酸盐水泥，所述减水剂选自聚羧酸盐系高效减水剂；所述粉煤灰漂珠的粒径大小为150～1700μm；
所述水泥基复合材料的坍落度为27.0mm；流动扩展度为236.5mm；材料的屈服应力为648Pa，塑性粘度为12.5Pa.s，触变性为22584。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印的水泥基复合材料，其特征在于，所述石灰石粉的粒径大小为10～100μm。
3.一种用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
按照上述权利要求1～2任一项所述的用于3D打印的水泥基复合材料的原材料的配方分别称取各组分；
将漂珠和砂石级配混合得到的第一混合料，将水泥、煅烧黏土、石灰石粉、石膏和所述第一混合料混合，得到粉体材料；
将减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
将所述粉体材料和所述减水剂溶液混合，得到所述用于3D打印的水泥基复合材料。
4.根据权利要求3所述的用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，将所述粉体材料和所述减水剂溶液混合的步骤中，采用搅拌的方式进行混合。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，采用搅拌的方式进行混合的步骤中，先采用转速为60～65rpm/min的条件搅拌2～3分钟；再采用转速为115～135rpm/min的条件搅拌2～3分钟。
CN202010386453.8A 2020-05-09 2020-05-09 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法 Active CN111517740B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010386453.8A CN111517740B (zh) 2020-05-09 2020-05-09 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010386453.8A CN111517740B (zh) 2020-05-09 2020-05-09 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111517740A CN111517740A (zh) 2020-08-11
CN111517740B true CN111517740B (zh) 2022-05-27

Family

ID=71906938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010386453.8A Active CN111517740B (zh) 2020-05-09 2020-05-09 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111517740B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4005760A1 (en) * 2020-11-25 2022-06-01 Saint-Gobain Weber France 3-d printing method for manufacturing mortar-based elements
CN112759350B (zh) * 2021-02-03 2021-10-22 河北工业大学 用于3d打印的钙钒石晶须层间增强粘结剂及使用方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106800391A (zh) * 2017-01-22 2017-06-06 万玉君 一种用于粉末黏合3d打印的水泥基复合材料及应用该材料的粉末黏合3d打印方法
CN107500687A (zh) * 2017-10-19 2017-12-22 万玉君 一种用于3d打印的高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法
CN108249847A (zh) * 2017-12-25 2018-07-06 芜湖林电子科技有限公司 一种高抗压强度的3d打印用砂浆
CN109111179A (zh) * 2018-11-07 2019-01-01 郑州大学 一种用于建筑3d打印的绿色水泥基材料
CN110372296A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 中建西部建设西南有限公司 一种自养护水泥基3d打印材料及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3034094B1 (fr) * 2015-03-27 2020-10-09 Hoffmann Jb Tech Composition pour materiau de construction a base de metakaolin, procede de fabrication associe et utilisation pour la realisation d'elements de construction
CN109399995B (zh) * 2018-11-13 2021-04-16 济南大学 一种适用于3d打印硫铝酸盐水泥基材料的粘度改性剂
CN109678445B (zh) * 2019-02-27 2021-07-27 济南大学 一种脱硫石膏3d打印碱激发胶凝材料及其使用方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106800391A (zh) * 2017-01-22 2017-06-06 万玉君 一种用于粉末黏合3d打印的水泥基复合材料及应用该材料的粉末黏合3d打印方法
CN107500687A (zh) * 2017-10-19 2017-12-22 万玉君 一种用于3d打印的高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法
CN108249847A (zh) * 2017-12-25 2018-07-06 芜湖林电子科技有限公司 一种高抗压强度的3d打印用砂浆
CN109111179A (zh) * 2018-11-07 2019-01-01 郑州大学 一种用于建筑3d打印的绿色水泥基材料
CN110372296A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 中建西部建设西南有限公司 一种自养护水泥基3d打印材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111517740A (zh) 2020-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104254504B (zh) 尺寸稳定的地质聚合物组合物和方法
CN107265966B (zh) 一种利用高细粉含量机制砂制备桥梁自密实抗裂清水混凝土
US8974598B2 (en) High or ultra-high performance concrete
CN109020456A (zh) 一种机制砂干混砂浆及其制备方法
CN111620624B (zh) 一种自密实混凝土及其制备方法
CN111517740B (zh) 一种用于3d打印的水泥基复合材料及其制备方法
CN108996969B (zh) 一种白色自密实清水c40泵送混凝土
CN109279861B (zh) 一种自密实复合混凝土及其制备方法、混凝土墙砖
CN111848042A (zh) 一种墙板粘结砂浆及其制备方法
CN109721306B (zh) 自流平低自收缩的超高性能混凝土组合物
CN109455973B (zh) 一种适用于3d打印硫铝酸盐水泥基材料的触变剂
CN112079604B (zh) 一种透水抗压混凝土及其制备方法
CN106277979B (zh) 一种高强度无机石英石板材及其制备和应用
CN101948289B (zh) 一种建筑抹灰施工时冲筋用的砂浆及其施工方法
CN107311533A (zh) 一种防水且粘结强度高的高分子益胶泥及其制备方法
CN112876175A (zh) 一种自养护再生砖混骨料混凝土及其制备方法
CN115321858A (zh) 胶凝材料及其制备方法和组合物的用途
CN110759661A (zh) 一种再生骨料混凝土和易性耐久性改良添加剂
CN114477917A (zh) 一种超疏水混凝土及其使用方法
CN112573868B (zh) 一种花岗岩微粉地聚物复合基及其制备方法和应用
CN113603406A (zh) 一种免烧免蒸泡沫保温复合材料及其制备方法
CN110759684B (zh) 一种双骨料水泥砂浆及其制备方法
CN112142398A (zh) 基于骨料粒形的机制砂自密实混凝土配合比定量设计方法
Silva et al. Development of a stabilized natural fiber-reinforced earth composite for construction applications using 3D printing
CN116425470A (zh) 一种高性能湿拌抹灰砂浆及其制备工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200811

Assignee: SHENZHEN DING TUO DA ELECTROMECHANICAL Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048382

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231124

Application publication date: 20200811

Assignee: Shenzhen Kejian Construction Group Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048304

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231123

Application publication date: 20200811

Assignee: Foshan Fengfeng Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048031

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231123

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200811

Assignee: Shenzhen chuangmeng Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048657

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231128

Application publication date: 20200811

Assignee: Guangdong Shuzhi System Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048415

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231127

Application publication date: 20200811

Assignee: Foshan Shihuasha New Materials Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980048406

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231127

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200811

Assignee: Shenzhen Zhonglu Aluminum Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980049883

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20231204

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200811

Assignee: SHENZHEN GENERAL BARCODE'S TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2024980000040

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20240103

Application publication date: 20200811

Assignee: Shenzhen Subangbo Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2024980000038

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20240103

Application publication date: 20200811

Assignee: Shenzhen Deep Sea Blue Ocean Technology Service Center

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2024980000036

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20240104

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200811

Assignee: SHENZHEN HUAMING ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2024980000264

Denomination of invention: A cement-based composite material for 3D printing and its preparation method

Granted publication date: 20220527

License type: Common License

Record date: 20240108