CN111704424A - 一种用于3d打印的钢纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法,该材料按重量份数计,其含量和组成分别为:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.024~0.048份;增稠剂0.010~0.018份;消泡剂0.012份;水3.3~3.6份;短直钢纤维;其中,所述钢纤维的体积占所述材料总体积的0.5%~5%,所采用的打印机喷嘴为20‑40mm。本发明根据水泥基材料的可打印性能及打印喷嘴直径,掺入相应长径比和体积含量的短直钢纤维,使3D打印混凝土具有良好的可打印性能、力学性能,有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及到3D打印建筑材料领域,具体涉及一种可用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
由于打印界面的存在,3D打印混凝土材料的各项异性和脆性更为显著,且在3D打印构件中配置钢筋尚还难以实现,因此改善3D打印混凝土的材料性能,将对3D打印技术在建筑业的推广应用起到积极作用。
在混凝土中掺入钢纤维,能够明显提高混凝土的延性、韧性、抗拉与抗剪性能以及抗冲击性能,已被广泛应用于工业建筑、机场和高速公路、桥梁和隧道等工程结构。然而由于3D打印工艺的条件限制,钢纤维类型、尺寸、含量以及制备方法都需要与3D打印工艺、材料可打印性等相匹配,目前鲜有深入的相关研究和工程应用。
本发明通过考虑打印工艺条件、控制初凝时间和流动度的方法,制备出一种用于3D打印的钢纤维混凝土,其有良好的可打印性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的问题,提供一种用于3D打印的钢纤维混凝土及其制备方法。根据水泥基材料的可打印性能及打印喷嘴直径,掺入相应长径比和体积含量的短直钢纤维,使3D打印混凝土具有较高的抗拉、抗弯、抗剪强度及断裂韧性,能够推动3D打印混凝土的工程实践应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,按重量份数计,包括以下组分:
普通硅酸盐水泥12份;
调凝剂0.6份;
砂12份;
减水剂0.024~0.048份;
增稠剂0.010~0.018份;
消泡剂0.012份;
水3.6份;
钢纤维;
其中:
所述的钢纤维的体积占所述混凝土的0.5%~5%。
作为优选,所述的普通硅酸盐水泥的型号为P.O.42.5R。
作为优选,所述的调凝剂为快硬硫铝酸盐水泥,成分包括赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏。
作为优选,所述的砂为中国ISO标准砂,最大粒径为2mm。
作为优选,所述的减水剂为粉末状保坍型聚羧酸减水剂,减水率大于30%。
作为优选,所述的增稠剂为10万粘度的羟丙基甲基纤维素醚。
作为优选,所述的消泡剂为水泥砂浆专用的粉状消泡剂,成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑,PH值为7–8。
作为优选,所述的钢纤维的长度为3~5mm,直径为0.05-0.125mm,长径比为40-60,抗拉强度为1GPa,弹性模量为200GPa。
一种用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法,包括以下步骤:
(1)按重量份数计,将原料分成三组:第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50%钢纤维;第二组为水2.0份、50%减水剂、50%增稠剂、消泡剂0.012份和30%钢纤维;第三组为为水1.6份、50%减水剂、50%增稠剂和20%钢纤维;
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内,将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min,至完全混合均匀;
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净容器内混合搅拌至均匀;
(4)将搅拌均匀的第二组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌2min;
(5)将搅拌均匀的第三组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌4min后,即得到所述的用于3D的钢纤维混凝土。
作为优选,所述钢纤维采用直线型钢纤维,其长度和直径按照以下方式确定:
(1)设打印机泵送管道直径为d1、打印喷嘴直径为d2,定义打印名义直径为d,则d=min(d1,d2);
(2)设钢纤维的长度为Lf、钢纤维的体积含量为Vf,其满足以下条件:若体积含量5.0%≥Vf≥2.0%,则d/Lf≥6;若体积含量2.0%≥Vf,则d/Lf≥4;
(3)设钢纤维的直径为df,其满足以下条件:若体积含量5.0%≥Vf≥2.0%,则Lf/df≥50;若体积含量2.0%≥Vf,则Lf/df≥30。
作为优选,所述的砂最大粒径ds,应满足d/ds≥8。
作为优选,所述的制备方法的可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照我国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照我国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施;二者具体按以下标准判定其可打印性:
(1)若钢纤维体积含量为5.0%≥Vf≥3.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足175-185mm时,满足材料可打印性的要求;
(2)若钢纤维体积含量为3.0%≥Vf≥2.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足170–185mm时,满足材料可打印性的要求;
(3)若钢纤维体积含量为2.0%≥Vf≥1.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足160–175mm时,满足材料可打印性的要求;
(4)若钢纤维体积含量为1.0%≥Vf,当初凝时间满足40-60min,流动度满足155–170mm时,满足材料可打印性的要求。
本发明的有益效果:
1)可以根据3D打印设备选择钢纤维的掺量和尺寸。在掺入相应的不同长径比和体积含量的短直钢纤维情况下,通过调整外加剂的掺量满足混凝土的可打印性能,使其在泵送过程中具有良好的流动性,打印时具有良好的稳定性;
2)将钢纤维掺入到3D打印混凝土中,一方面能够改善3D打印混凝土界面之间的力学性能,另一方面能够提高材料的抗裂性能和韧性。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作出进一步地详细阐述,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行的实施,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,包括如下重量份的原料:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.024份;增稠剂0.018份;消泡剂0.012份;水3.6份;钢纤维的掺量为0.5%;3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示:
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法包括如下步骤:
(1)按重量份数计,将原料分成三组:第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50%钢纤维;第二组为水2.0份、50%减水剂、50%增稠剂、消泡剂0.012份和30%钢纤维;第三组为为水1.6份、50%减水剂、50%增稠剂和20%钢纤维。
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内,将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min,至完全混合均匀;
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净的容器内混合搅拌至均匀。
(4)将搅拌均匀的第二组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌2min。
(5)将搅拌均匀的第三组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌4min后,即得到所述的可用于3D打印的钢纤维混凝土。
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土,其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施,初凝时间需满足40-60min,流动度需满足155–170mm。测试结果如表1所示。
实施例2
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,包括如下重量份的原料:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.030份;增稠剂0.015份;消泡剂0.012份;水3.3份;钢纤维的掺量为1.5%;3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示:
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土,其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施,初凝时间需满足40-60min,流动度需满足160-175mm。测试结果如表1所示。
实施例3
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,包括如下重量份的原料:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.036份;增稠剂0.015份;消泡剂0.012份;水3.3份;钢纤维的掺量为2.5%;3D打印机喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示:
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土,其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施,初凝时间需满足40-60min,流动度需满足170-185mm。测试结果如表1所示。
实施例4
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,包括如下重量份的原料:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.042份;增稠剂0.012份;消泡剂0.012份;水3.3份;钢纤维的掺量为4%;3D打印机的喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示:
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土,其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施,初凝时间需满足40-60min,流动度需满足175-185mm。测试结果如表1所示。
实施例5
一种用于3D打印的钢纤维混凝土,包括如下重量份的原料:普通硅酸盐水泥12份;调凝剂0.6份;砂12份;减水剂0.048份;增稠剂0.010份;消泡剂0.012份;水3.3份;钢纤维的掺量为5%;3D打印机的喷嘴直径为20mm。
具体参数如下所示:
上述用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法如实施例1所示
一种可用于3D打印的钢纤维混凝土,其可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照中国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照中国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施,初凝时间需满足40-60min,流动度需满足175-185mm。测试结果如表1所示。
关于混凝土的可打印性的效果,通过采用3D打印机连续打印2m长的构件,上述材料在打印过程中均匀挤出未发生破损,构件的完整度良好。采用3D打印机连续打印2m长、120mm高的构件,单条打印厚度为13-25mm,上述五种材料在叠加过程中均匀堆积未发生破损,构件整体稳定性良好且成型效果好。
表1可打印性判定
序号 | 凝结时间 | 流动度 | 可打印性 |
实施例1 | 43min | 161mm | 挤出均匀流畅,构件整体稳定性好 |
实施例2 | 49min | 172mm | 挤出均匀流畅,构件整体稳定性好 |
实施例3 | 46min | 171mm | 挤出均匀流畅,构件整体稳定性好 |
实施例4 | 53min | 182mm | 挤出均匀流畅,构件整体稳定性好 |
实施例5 | 52min | 179mm | 挤出均匀流畅,构件整体稳定性好 |
Claims (8)
1.一种用于3D打印的钢纤维混凝土,其特征在于:按重量份数计,包括以下组分:
普通硅酸盐水泥12份;
调凝剂0.6份;
砂12份;
减水剂0.024~0.048份;
增稠剂0.010~0.018份;
消泡剂0.012份;
水3.6份;
钢纤维;
其中:
所述的钢纤维的体积占所述混凝土的0.5%~5%。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土,其特征在于:所述的普通硅酸盐水泥的型号为P.O.42.5R,所述的砂为中国ISO标准砂,最大粒径为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土,其特征在于:所述的调凝剂为快硬硫铝酸盐水泥,成分包括赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏,所述的减水剂为粉末状保坍型聚羧酸减水剂,减水率大于30%,所述的增稠剂为10万粘度的羟丙基甲基纤维素醚,所述的消泡剂为水泥砂浆专用的粉状消泡剂,成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑,PH值为7–8。
4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的钢纤维混凝土,其特征在于:所述的钢纤维的长度为3~5mm,直径为0.05-0.125mm,长径比为40-60,抗拉强度为1GPa,弹性模量为200GPa。
5.一种权利要求1、2、3或4所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)按重量份数计,将原料分成三组:第一组为普通硅酸盐水泥12份、调凝剂0.6份、砂12份和50%钢纤维;第二组为水2.0份、50%减水剂、50%增稠剂、消泡剂0.012份和30%钢纤维;第三组为为水1.6份、50%减水剂、50%增稠剂和20%钢纤维;
(2)将第一组的原料加入混凝土电动式搅拌机内,将搅拌机转速设定为60r/min后进行混合搅拌4min,至完全混合均匀;
(3)将第二组、第三组中的水和外加剂分别在干净容器内混合搅拌至均匀;
(4)将搅拌均匀的第二组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第二组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌2min;
(5)将搅拌均匀的第三组溶液,缓缓加入到工作状态下的搅拌机内,然后再将第三组的钢纤维均匀撒入工作状态下的搅拌机,搅拌4min后,即得到所述的用于3D的钢纤维混凝土。
6.根据权利要求5所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法,其特征在于:所述钢纤维采用直线型钢纤维,其长度和直径按照以下方式确定:
(1)设打印机泵送管道直径为d1、打印喷嘴直径为d2,定义打印名义直径为d,则d=min(d1,d2);
(2)设钢纤维的长度为Lf、钢纤维的体积含量为Vf,其满足以下条件:若体积含量5.0%≥Vf≥2.0%,则d/Lf≥6;若体积含量2.0%≥Vf,则d/Lf≥4;
(3)设钢纤维的直径为df,其满足以下条件:若体积含量5.0%≥Vf≥2.0%,则Lf/df≥50;若体积含量2.0%≥Vf,则Lf/df≥30。
7.根据权利要求6所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法,其特征在于:所述的砂最大粒径ds,应满足d/ds≥8。
8.根据权利要求5所述的用于3D打印的钢纤维混凝土的制备方法,其特征在于:所述的制备方法的可打印性根据初凝时间、流动度进行判定,初凝时间试验按照我国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施,流动度试验按照我国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施;二者具体按以下标准判定其可打印性:
(1)若钢纤维体积含量为5.0%≥Vf≥3.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足175-185mm时,满足材料可打印性的要求;
(2)若钢纤维体积含量为3.0%≥Vf≥2.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足170–185mm时,满足材料可打印性的要求;
(3)若钢纤维体积含量为2.0%≥Vf≥1.0%,当初凝时间满足40-60min,流动度满足160–175mm时,满足材料可打印性的要求;
(4)若钢纤维体积含量为1.0%≥Vf,当初凝时间满足40-60min,流动度满足155–170mm时,满足材料可打印性的要求。
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Cited By (2)
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CN112408917A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-02-26 | 中铁工程装备集团有限公司 | 混凝土管片的制备方法 |
CN113500188A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-15 | 南京工业大学 | 一种适用3d打印的三维金属纤维-水泥基复合材料及制备方法 |
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CN111302742A (zh) * | 2020-04-15 | 2020-06-19 | 同济大学 | 一种基于再生玻璃砂的可3d打印uhpc及制备方法 |
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- 2020-07-07 CN CN202010644876.5A patent/CN111704424A/zh active Pending
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