CN111620621A - 一种3d打印混凝土纤维材料织网增强构件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件及其制备方法，可以改善3D打印混凝土构件整体性，并提高荷载作用下的力学性能。所述混凝土构件采用固定配比的砂浆，所述纤维材料织网采用高强度玄武岩纤维网。通过3D打印喷头挤出混凝土，与纤维材料织网结合。实现纤维材料织网对3D打印混凝土的增强效果。本发明的混凝土构件在基本不增加重量和厚度的前提下提高了整体性，有利于提高3D打印混凝土建筑的力学性能和耐久性，促进3D打印混凝土在实际工程中的广泛运用。

Description

一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件及其制备方法。
背景技术
3D打印是作为一种近年崛起的的高新技术，已在模具制造、工业设计等领域取得较多成果，在建筑等领域的运用方兴未艾。而3D打印混凝土技术更是3D打印的一种全新尝试，有着巨大的发展空间，必将成为建筑工程发展史上的重大转折点。广泛地研究和推广3D打印混凝土技术，可以极大地推动建筑领域机械化、智能化、个性化以及绿色化的进程，甚至将大幅改变传统的建筑领域。
但是，现有的3D打印混凝土建筑，由于其各向同性差，导致打印混凝土缺乏整体性，使3D打印建筑的承载能力较低，无法满足部分房屋或构筑物中墙体的承载能力要求。因此，现有的3D打印混凝土技术，仍无法广泛地运用于一般混凝土建筑物。为推广3D打印混凝土技术，找到提高3D打印混凝土构件力学性能的方法是必要的。
纤维织网增强混凝土是一种纤维织网与精细混凝土制成的新型材料，相比传统混凝土，它具有比强度高、延性好、耐久性及耐火性好的优势，可以制成常规或异形薄壁构件，应用范围较广，在国际上得到了广泛的研究和应用。
3D打印技术为纤维织网的自动化、异形化与高几何适应性提供了有利的条件，促进了织网增强混凝土制作的高效化与规范化，将极大扩展TRC材料的应用范围。同时织网增强混凝土与3D打印混凝土的结合，将有效提高3D打印混凝土的抗弯强度及整体刚度，促进3D打印混凝土的广泛运用。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件及其制备方法，采用固定配比的砂浆，纤维材料织网采用高强度玄武岩纤维网。通过3D打印喷头挤出混凝土，与纤维材料织网进行结合。实现纤维材料织网对3D打印混凝土的增强效果。混凝土结构可承受较强的竖向压力，而玄武岩纤维网的排列结合提高了混凝土的层间强度，提高了混凝土结构的抗弯承载力。本发明的混凝土构件在基本不增加重量和厚度的前提下提高了整体性，有利于提高3D打印混凝土建筑的抗弯强度、整体刚度和耐久性，促进3D打印混凝土在实际工程中的广泛运用。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件，是由纤维材料织网和3D打印混凝土层组合而成。
所述的纤维织网由玄武岩纤维编制而成，玄武岩纤维编织网尺寸为8mm×8mm。所述的玄武岩纤维直径为 10-15μm，抗拉强度约为3000MPa；所述的3D打印混凝土砂浆，制备材料包括黄沙；标号P·II52 .5或以上的硅酸盐水泥；矿渣粉；硅灰；水；聚羧酸系减水剂；葡萄糖酸钠缓凝剂；淀粉醚；纤维素醚；触变润滑剂；
本发明还提供上述纤维材料织网增强的3D打印混凝土构件的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，高性能3D打印混凝土砂浆的制备：
首先将水泥、黄沙、硅灰、淀粉醚、纤维素醚和矿渣粉按比例混合干拌，拌匀后加入水、触变润滑剂、葡萄糖酸钠缓凝剂和聚羧酸系减水剂的水溶液，继续搅拌，直至形成黏性胶状物，制备高性能3D打印混凝土砂浆；
步骤2，准备纤维材料织网：
将裁剪后的纤维编织网放入环氧树脂胶中浸泡3-10s，取出后用刷子在表面抹匀，放入空气中固化1至2日，待用；
步骤3，根据所需构件尺寸，使用3D打印机喷头挤出一层复数条相同、紧密并列的细混凝土条；(步骤1得到的黏性胶状物)
步骤4, 根据构件的尺寸、构件种类、力学性能确定纤维材料织网的铺设方向，并在5分钟内完成铺设；
步骤5，根据所需构件尺寸，使用3D打印机喷头在下层混凝土层上打印混凝土；
步骤6, 重复步骤4、步骤5直至达到所需混凝土构件的高度。
步骤7, 最后在混凝土构件表面覆盖塑料膜，常温下自然养护，养护时间不少于28天，即得到纤维材料织网增强的3D打印混凝土构件。
优选的，所述结构构件为梁构件，在步骤4中，纤维材料织网横向铺设在混凝土层上，在底层纤维织网层上，间隔布置混凝土层及纤维织网层；纤维织网应覆盖混凝土层（比混凝土层面积大），纤维织网长、宽方向均应超出混凝土层2cm。
优选的，所述结构构件为环形模壳构件，在步骤4中，纤维材料织网纵向布置在混凝土层之间。竖向放置环形纤维材料织网后，在织网内侧及外侧交替打印混凝土，内外侧混凝土打印时间间隔应小于5分钟。竖向放置的环形纤维材料织网高于两侧混凝土高度。
也就是说在步骤2中，准备的纤维编织网尺寸应略大于构件所需尺寸，实际纤维编织网尺寸应满足完全覆盖终凝后的3D打印混凝土。构件有两种形状，分别是梁构件和环形模壳构件，适用性较广。
本发明的有益效果是：
本发明采用纤维材料织网与3D打印混凝土结合，运用纤维编织网，在较少增加重量和厚度的前提下提高了3D打印混凝土整体性，有利于提高3D打印混凝土建筑竖向承载力、整体刚度和耐久性，促进3D打印混凝土在实际工程中的广泛运用。
附图说明
图1为实施例1中3D打印混凝土纤维材料织网增强梁构件局部剖面图；
图2为实施例2中3D打印混凝土纤维材料织网增强环形模壳构件主视图；
图3为实施例2中3D打印混凝土纤维材料织网增强环形模壳构件俯视图。
附图标记列表：
1和3为混凝土打印层，2为纤维织网层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1：3D打印混凝土纤维材料织网增强梁构件
选取重量百分比黄砂45.0%，水泥22.5%，矿渣粉13.5%，硅灰9.0%，葡萄糖酸钠缓凝剂0.12%，淀粉醚0.02%，纤维素醚0.02%，触变润滑剂0.09%搅拌均匀，再将0.75%聚羧酸系减水剂与9%水的溶液加入搅拌。制得3D打印用混凝土砂浆。
向3D打印机料斗加入砂浆，按照混凝土构件尺寸打印第一层混凝土。打印完成后在第一层混凝土上方铺设处理后的纤维织网，纤维织网尺寸为：织网完全覆盖混凝土层且各边均超出混凝土层2cm。
在铺设的纤维织网层上，根据混凝土构件尺寸重复步骤打印混凝土及铺设纤维织网，并确保每层纤维织网尺寸均大于其上下两层混凝土层尺寸。最终完成构件的打印。
实施例2：3D打印混凝土纤维材料织网增强环形模壳构件
按照混凝土模壳尺寸打印第一层混凝土，包括内圈及外圈两条，如图3所示；将处理好的纤维编织网竖向固定在内圈及外圈之间，纤维编织网高度高于构件设计高度2cm，在竖向纤维编织网内外侧交替打印混凝土，内—外打印时间间隔应小于5分钟。层层打印，直到完成构件。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件，其特征在于，所述构件是由纤维材料织网和3D打印混凝土层组合而成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，高性能3D打印混凝土砂浆的制备：
首先将水泥、黄沙、硅灰、淀粉醚、纤维素醚和矿渣粉按比例混合干拌，拌匀后加入触变润滑剂、葡萄糖酸钠缓凝剂、聚羧酸系减水剂和水，继续搅拌，直至形成黏性胶状物，制备高性能3D打印混凝土砂浆；
步骤2，准备纤维材料织网：
将裁剪后的纤维编织网放入环氧树脂胶中浸泡3-10s，取出后用刷子在表面抹匀，放入空气中固化1至2日，待用；
步骤3，根据所需构件尺寸，使用3D打印机喷头挤出一层复数条相同、紧密并列的细混凝土条；
步骤4, 根据构件的尺寸、构件种类、力学性能确定纤维材料织网的铺设方向，并在5分钟内完成铺设；
步骤5，根据所需构件尺寸，使用3D打印机喷头在下层混凝土层上打印混凝土；
步骤6, 重复步骤4、步骤5直至达到所需混凝土构件的高度；
步骤7, 最后在混凝土构件表面覆盖塑料膜，常温下自然养护，即得到纤维材料织网增强的3D打印混凝土构件。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的高性能3D打印混凝土砂浆包含以下组分：
黄沙；标号P·II52 .5或以上的硅酸盐水泥；矿渣粉；硅灰；水；聚羧酸系减水剂；葡萄糖酸钠缓凝剂；淀粉醚；纤维素醚；触变润滑剂；
重量百分比：黄砂45.0%，水泥22.5%，矿渣粉13.5%，硅灰9.0%，葡萄糖酸钠缓凝剂0.135%，淀粉醚0.0202%，纤维素醚0.0202%，触变润滑剂0.09%，聚羧酸系减水剂0.81%，9%水。
4.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤2所述的纤维织网由玄武岩纤维编制而成，玄武岩纤维编织网尺寸为8mm×8mm，所述的玄武岩纤维直径为 10-15μm，抗拉强度为3000MPa。
5.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的铺设纤维编织网，分为横向铺设及纵向铺设。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的铺设纤维编织网横向铺设在混凝土层上，在底层纤维织网层上，间隔布置混凝土层及纤维织网层形成梁构件，纤维织网应覆盖混凝土层，纤维织网长、宽方向均超出混凝土层2cm。
7.根据权利要求5所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的铺设纤维编织网纵向铺设，在纤维编织网内侧及外侧交替打印混凝土形成环形模壳构件，内外侧混凝土打印时间间隔小于5分钟；竖向放置的环形纤维材料织网高于两侧混凝土高度2cm。
8.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土纤维材料织网增强构件的制备方法，其特征在于，步骤7所述的自然养护时间不少于28天。
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