CN111704408B - 一种利用3d打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种利用3d打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法，该混凝土主要由水泥砂浆与3D打印智能设计三维网状骨架组成，其中水泥砂浆由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥337‑375份、粉煤灰93‑107份、细骨料710‑886份、聚羧酸减水剂0.5‑0.6份、水170‑194份。3D打印智能设计三维网状骨架可由设计者按照实际需求确定。相对于现有技术，本发明设计的三维网状骨架结构能提高混凝土的受压峰值应变，是玄武岩混凝土2倍。这种方法制备的混凝土可以有效的提高混凝土的延性，具有良好的能量耗散作用。此外，本发明方法还可以大大提高材料的均匀性，相对于普通的纤维掺入方式，不存在分布不均和结团的问题，可以大大提高最终产品的性能。

Description

一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法，属于智能设计增强混凝土技术领域。
背景技术
混凝土的新型结构设计与功能化设计可以作为进一步研究的方向。新的结构设计与功能化设计会对制备方法与材料提出更高的要求，3D打印技术即增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)可以满足这些要求。3D打印技术是利用计算机的图形计算能力，基于按照特定顺序，将经过设计的计算机模型按层沉积成物理实体的技术。由于借助了计算机的强大计算能力，3D打印技术对计算机模型的实体化过程的精度很高，可以得到极为准确的物理模型。另外，3D打印技术的打印速度较快，在较短的时间内即可获得打印成品，这与铸造技术相比是一个巨大的优势。3D打印技术具有可设计、高精度、快速成型等优势。经过近三十年的发展，3D打印机制造技术日趋成熟，3D打印制件的成本逐渐降低，使得其在混凝土设计与制备领域得到应用成为可能。
混凝土的力学特征是抗压强度高而抗拉强度低，高强度混凝土在材料使用方面与普通混凝土并没有明显差异，也同样具有很低的抗拉强度。混凝土的脆性使得其在建筑中的应用产生了安全隐患，因为建筑物在地震等自然灾害中没有征兆地突然失效破坏是非常危险的。为了提高混凝土材料的延性，科研人员在水泥基材料制备过程中添加纤维材料，发明了纤维增强水泥基复合材料。Li V等提出的工程水泥基复合材料(EngineeredCementitious Composite，ECC)也属于纤维增强水泥基复合材料。ECC的设计方法中，以纤维-水泥基体的微观力学与断裂力学为设计指导，粗骨料完全被短切纤维替代，由此将脆性的混凝土材料转变为具有韧性破坏特征的高延性材料。ECC常用的增强纤维主要有钢纤维、聚乙烯(PE)纤维、碳纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)等。但是也存在一些问题，ECC的成本较高并且随着纤维掺量的增大存在纤维分布不均和结团的问题，影响工作性和强化效果。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土及其制备方法。本发明中以数字光处理(DLP型光固化)3D打印为技术手段，以重构混凝土骨架结构为目标，设计长程有序的骨架结构，提高混凝土的最大压应变和增强混凝土的延性。
技术方案：为了实现上述目的，本发明公开了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，该混凝土主要由水泥砂浆与光固化3D打印树脂骨架组成，其中水泥砂浆由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥337-375份、粉煤灰93-107份、细骨料710-886份、聚羧酸减水剂0.5-0.6份、水170-194份。3D打印智能设计三维网状骨架可由设计者按照实际需求设计定制。
作为优选方案：
所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。
所述的粉煤灰为I级类粉煤灰。
所述的细骨料为河砂，细度模数为2.3-2.8的Ⅱ区中砂。含泥量小于等于0.5％。
所述的3D打印智能设计三维网状骨架所用的光敏树脂以双酚F环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA作为稀释剂，TPO作为光引发剂合成光敏树脂。要满足骨架结构对稳定性的要求将三角形和菱形作为基本元素，构建了正八面体和平行十二面体为基本结构单元。空间中的单元结构需要进行连接杆件与连接节点的设计，以DLP光固化3D打印技术成型，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
所述的聚羧酸高效减水剂的固含量大于等于40％(质量含量)，减水率大于等于33.9％。
所述水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
本发明还提供了利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架
(2)取水泥、粉煤灰、河砂，利用旋转式混合搅拌机将其搅拌混合均匀，得到均匀混合料；
(3)将聚羧酸高效减水剂加入水中，搅拌得到均匀的水溶剂，缓慢加入到上述混合料中，然后调节旋转式混合搅拌机的工作参数进行混合，得到均匀混合浆体；
(4)向涂好油的模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土。
更具体地，上述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土的制备方法，包括以下步骤：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿砂浆搅拌机和混凝土成型模具。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(2)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土。
以3D打印智能设计三维网状骨架为中心，灌注水泥砂浆制备成型，可以大大提高材料的均匀性，相对于普通的纤维掺入方式，不存在分布不均和结团的问题，可以大大提高最终产品的性能。
技术效果：相对于现有技术，本发明原料中包括了3D打印智能设计三维网状骨架，一般的混凝土中都是在掺加有机纤维或是钢纤维进行增强混凝土，3D打印骨架不存在分布不均或者结团的问题，而且其形状结构可设计，具有非常广的适用性和可设计性。以正八面体为结构单元和菱形十二面体为结构单元的三维网状骨架分别制备的混凝土的破坏形式也颇为相，在达到最大抗压强度后的失效过程均较为缓慢。该树脂骨架灌注水泥砂浆制备混凝土，设计的三维网状骨架结构能提高混凝土的受压峰值应变，是玄武岩混凝土2倍。3D打印骨架混凝土受拉时显示出了多缝开裂的特征，极限抗拉强度达到0.85MPa，极限应变约为0.055。这种方法制备的混凝土可以有效的提高混凝土的延性，具有良好的能量耗散作用。骨架在混凝土具有增加吸能和提高延性的作用，有利于混凝土在复杂抵抗拉应力和提高混凝土结构安全性。把3D打印三维网状骨架加入混凝土中，是一种非常有效且全新的提高混凝土延性的方法。
附图说明
图1为3D打印智能设计三维网状骨架中正八面体结构单元设计图
图2为3D打印智能设计三维网状骨架中菱形十二面体结构单元设计图
图3为三个不同层次疏密层度的骨架，骨架总体尺寸为70mm×70mm×70mm，以菱形十二面体为结构单元。每个骨架所包含的结构单元数量分别为3×4×4，6×8×8，12×16×16个。
图4为三个不同层次疏密层度的骨架，骨架总体尺寸为70mm×70mm×70mm，以正八面体为结构单元。每个骨架所包含的结构单元数量分别为3×4×4，6×8×8，12×16×16个。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
以下实施例中所用原料均为以下要求：
普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。
粉煤灰为I级类粉煤灰。
细骨料为河砂，细度模数为2.3-2.8的Ⅱ区中砂。含泥量小于等于0.5％。
3D打印树脂骨架所用的光敏树脂以双酚F环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA作为稀释剂，TPO作为光引发剂合成光敏树脂，质量分数比为18:6:1。以DLP光固化3D打印技术成型，制备的以正八面体和平行十二面体为基本结构单元的三维骨架。空间中的单元结构需要进行连接杆件与连接节点的设计以DLP光固化3D打印技术成型，制备3D打印智能设计三维网状骨架，具体设计见图1、2、3和4。
聚羧酸高效减水剂的固含量大于等于40％(质量含量)，减水率大于等于33.9％。
水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
使用的搅拌机为水泥砂浆搅拌机。
实施例1
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印正八面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数3×4×4、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
实施例2
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印菱形十二面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数3×4×4、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
实施例3
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印正八面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数6×8×8、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
实施例4
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印菱形十二面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数6×8×8、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
实施例5
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印正八面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数12×16×16、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
实施例6
一种3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥355.88份、粉煤灰100.35份、细骨料798.41份、3D打印菱形十二面体三维树脂骨架尺寸70mm×70mm×70mm单元个数12×16×16、聚羧酸减水剂0.57份、水182.24份。
制备方法：
先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿搅拌机和盛混凝土的容器。
(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。
(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。
(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。
(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印树脂骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用光固化3D打印技术制备形状可设计的树脂骨架制备的混凝土。
对比例1：
与实施例1相同，不同之处在于，不加入3D打印智能设计三维网状骨架，其他均不变。
对比例2：
与实施例1相同，不同之处在于，不加入3D打印智能设计三维网状骨架，但是加入与骨架相同体积的玄武岩碎石骨料，其他均不变
性能检测：
对上述实施例1-6的混凝土拌合物及硬化混凝土性能进行试验，结果如表一。
表一测试结果
编号 7d抗压强度/MPa 7d极限压应变×10<sup>-3</sup> 7d抗拉强度/MPa 7d极限拉应变
实施例1 20.56 2.95 0.85 0.055
实施例2 29.33 11.27 0.87 0.061
实施例3 22.34 3.04 0.96 0.065
实施例4 30.43 12.11 1.02 0.068
实例例5 21.24 3.14 0.78 0.054
实例例6 29.56 11.09 0.81 0.052
对比例1 42.34 5.75
对比例2 48.91 6.62
由上表一结果可得，加入3D打印菱形十二面体骨架的混凝土，产品极限拉伸应变明显提高，可以达到纤维增强水泥基材料的极限拉伸应变；与对比例1和2相比，抗压强度稍有降低，但加入以菱形十二面体为结构单元的三维骨架混凝土的极限压应变显著提高。在混凝土在受压时，结构在压力作用下轴心压缩而向四周膨胀，三维网状骨架结构在混凝土内部形成一张各向同性的网络，混凝土内部的拉应力由坚固的锯齿状ITZ有效传导至骨架结构上，有效延缓了混凝土内部结构在受拉方向上的破坏。菱形十二面体骨架结构的结构单元为菱形十二面体，每个面是一个菱形，具有比正八面体更大的变形能力。在混凝土受压时，菱形十二面体骨架混凝土也具有比正八面体骨架混凝土更高的延性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥337-375份、粉煤灰93-107份、细骨料710-886份、聚羧酸减水剂0.5-0.6份、水170-194份、3D打印智能设计三维网状骨架，所述的3D打印智能设计三维网状骨架，其骨架结构是将菱形作为基本元素，构建平行十二面体为基本结构单元，所述的3D打印智能设计三维网状骨架，所用的光敏树脂以双酚 F 环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA 作为稀释剂，TPO 作为光引发剂合成光敏树脂，以DLP光固化3D打印技术成型。
2.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的粉煤灰为I级类粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的细骨料为河砂，细度模数为2.3-2.8的II区中砂，含泥量小于等于0.5%。
5.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的 混凝土，其特征在于，所述的聚羧酸高效减水剂的固含量大于等于40%，减水率大于等于33.9%。
6.权利要求1-5任一项所述混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在软件中构建三维实体模型，再用DLP 光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架；
（2）取水泥、粉煤灰、河砂，利用旋转式混合搅拌机将其搅拌混合均匀，得到均匀混合料；
（3）将聚羧酸高效减水剂加入水中，搅拌得到均匀的水溶剂，缓慢加入到上述混合料中，然后调节旋转式混合搅拌机的工作参数进行混合，得到均匀混合浆体；
（4）向涂好油的模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤（3）中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，最后按标准成型养护，即可得到所述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土。
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