CN111925175A - 一种超柔性硫铝酸盐水泥基3d打印材料 - Google Patents

一种超柔性硫铝酸盐水泥基3d打印材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，按其重量份计包括：水泥750‑850份，减水剂3‑5份，增稠剂温轮胶0.3‑0.6份，可在分散乳胶粉150‑250份，消泡剂2‑4份，增稠剂纤维素醚1‑4份，促凝剂1‑4份。本发明解决了传统3D打印材料的凝结时间和柔韧性不能兼顾的问题，将大掺量聚合物的方式应用于建筑材料中，并与3D打印进行结合，获得了工作性能良好，力学性能良好，柔韧性良好的产品。

Description

一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种硫铝酸盐水泥基3D打印材料。
背景技术
随着水泥基材料作为3D打印的基体材料的发展，不仅是大体积的建筑物可以通过3D 打印制造出来，相应的小型的构件也能通过机器的编程控制以达到公差很小的目的。另外, 对于一些构件来说，其受力状态不是传统的建筑物的抗压亦或是抗弯状态，更多的时候不是作为结构构件，而是作为一种功能材料起到镶嵌或者是保护作用，因此需要成型出来的材料具有良好的耐久性，必要的时候还需要一定的弹性和柔性。近年来由于无机非金属材料的飞速发展，水泥材料在某些情况下与有机材料进行结合使用，可以取长补短，既能很好的发挥水泥基材料的良好的耐久性、一定的早期强度，还能具备高分子材料的柔韧性，可提高水泥基材料的柔韧性，显著改善水泥基材料的粘结、抗折、防水和抗裂等多种性能以期达到某些特殊构件的使用要求。
李良兵等人发表的专利CN 105254226 A一种弹性水泥浆及其制备方法，虽然制备出了弹性模量较低、弹性较高的水泥基材料，但是其采用的为专用水泥的油井水泥，其主要还是以硅酸盐成分为主，凝结时间过长，不利于将其应用到3D打印当中。
王朝杰发表的专利CN 106348671 A一种弹性水泥基自流平砂浆，其中为了改善传统水泥砂浆的脆性、抗裂性及流动性，主要加入的是废旧轮胎颗粒增强其柔韧性，同时作为自流平砂浆又加入较多的早强剂以保证早期强度，该发明的弹性砂浆也是在克服传统材料的柔韧性，并且其弹性是相对于路基路面的，柔韧性不足以抵抗较大变形(5％)。
毛岩鹏等人发表的专利CN 110143798 A一种硫铝酸盐水泥基3D打印材料及其制备方法中，将硫铝酸盐水泥应用到3D打印中，使其能够满足3D打印较短的打印时间，但是其主要面对的是用于承重的建筑结构，未将柔韧性与3D打印一起考虑，另外其所用的细骨料石英砂、金刚砂等，成本相对较高。芦令超等人发表的专利CN 110372288 A一种高韧性 3D打印白水泥基材料及其制备方法和应用中，采用胶凝材料为白水泥，通过加入少量的可再分散乳胶粉和玻璃纤维网格布来提高材料整体的柔韧性，另外其混合材料的种类过于繁杂，不利于材料的快速成型制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以硫铝酸盐水泥为胶凝材料，通过大掺量聚合物(可再分散乳胶粉或聚氨酯乳液)为思路，在不进行外加肋板或者网格等物质的条件下，解决了传统无机非金属材料强度高但是韧性很差的缺点，以便其能够用于某些非地基承载处的构件或者是生活中的物件，另外选择使用硫铝酸盐水泥并加入一定量的促凝剂是为了保证其凝结硬化时间，应用到3D打印领域以期能够达到量产的要求，最终制备得到的3D打印材料能在1h以内完成凝结固化，变形量为5％以上，其3天抗压强度能达到15MPa以上。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，它的原料组分(除水以外)包括以下种类及其重量份：水泥750-850份，减水剂3-5份，增稠剂温轮胶0.3-0.6份，聚合物150-250份，消泡剂2-4份，增稠剂纤维素醚1-4份，促凝剂1-4份。
按上述方案，所述聚合物为醋酸乙烯酯-乙烯共聚物、聚丙烯酸类乳胶粉等可再分散乳胶粉中的一种或两种。其中，可再分散乳胶粉也可使用同体积的聚氨酯乳液代替。与150- 250份可再分散乳胶粉等体积的聚氨酯乳液约为150-200份，所述聚氨酯乳液的固含量为 30％-35％。
按上述方案，所述水泥的品种为快硬型硫铝酸盐水泥等，其强度等级不低于42.5MPa。
按上述方案，所述减水剂为干粉类聚羧酸类减水剂等。
按上述方案，所述聚氨酯乳液为黑色粘稠状液体，以油性聚氨酯为佳。
按上述方案，所述促凝剂为碳酸锂白色粉末等。
按上述方案，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚等，粘度为1000～20000Pa·s。
按上述方案，所述消泡剂为干粉类有机硅氧烷类消泡剂等。
上述超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料的制备方法以及使用方法，按如下步骤进行：
1)将制备该水泥基3D打印材料的各原材料按配比称量好，先将水泥、减水剂、温轮胶、消泡剂、可再分散乳胶粉、纤维素醚、促凝剂干混充分；
2)将步骤1)所得干混后的粉料倒入盛有已称好水的搅拌容器中，搅拌均匀所得浆体，即为到硫铝酸盐水泥基3D打印材料；
3)将步骤2)所得混合均匀的浆体由搅拌机泵入3D打印机打印系统中，按所需建筑结构进行3D打印。
本发明的主要技术构思如下：本发明中采用强度级别不低于42.5MPa的快硬型硫铝酸盐水泥，通过一系列外加剂来配制工作性能良好、力学性能达标且柔韧性良好的硫铝酸盐水泥基3D打印材料。首先，利用硫铝酸盐水泥凝结硬化速度快保证其打印性能，缩短生产构件的周期；掺入减水剂在同样水灰比的情况下进一步提高了砂浆的流动性能，同时温轮胶又能够很好地抑制因较大水灰比下减水剂的掺入引起的离析泌水现象，且温轮胶不会损害材料强度。在以上水泥、减水剂、增稠剂的配合比基础上，加入相对量比较大的聚合物成分(可再分散乳胶粉或者聚氨酯乳液)则增加了材料的柔韧性，两者刚柔并济，能够更好地提高材料的抗裂性能，并且能使成型的材料的弹性得到很大的提高，同时由于柔性成分的存在，使得材料的凝结硬化速度过慢不利于3D打印中快速凝结硬化的要求，因此采用加入促凝剂来保证材料的固化时间；而且，还需要掺入消泡剂来消除因掺入以上助剂和搅拌过程中引入的气泡，增大砂浆的密实度，流动度也进一步增大，同时材料的强度也在一定程度上有所提高。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1)本发明采用大掺量的聚合物加入到传统的水泥基材料的体系中，通过胶粉的柔性和水泥水化产物的脆性两者相结合，达到刚柔相济的效果，既能保证材料的力学强度又能具有良好的柔韧性和弹性，在成型大体积的构件时还能防止材料的开裂。
2)本发明在大掺量的聚合物成分的情况下，聚合物成分会对材料的凝结时间有明显的延长作用，为了保证水泥浆体能够快速硬化，保证3D打印的要求，采用快硬型硫铝酸盐水泥和一定量的促凝剂进行凝结时间的缩短，很好的保证了材料的成型周期。
3)本发明在可再分散乳胶粉的含量不足或者没有时，可采用添加聚氨酯来改善水泥砂浆的柔韧性，采用的是水性聚氨酯乳液，既能保证水泥砂浆的柔韧性还可以保证其使用后的清理工作相对简单、绿色无污染。
4)本发明通过材料自身的性能去克服无机非金属材料的脆性，而不是借助于外加钢筋、纤维等传统手段去达到某种韧性的要求，从而能够将先进的3D打印技术与绿色建筑材料完美融合，借助3D打印技术可实现无模板制造各类异性建筑构件，满足某些建筑的特殊需求。
总之，本发明制备出一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料的配方，具有良好的弹性和柔韧性，并且具备较强的力学性能和耐久性，在很短的时间能够凝结硬化并具备较高的强度，其成本相对传统的高分子材料来说较低，还具有高分子材料缺乏的耐久性、抗老化性能，结合3D打印的设备，可以制备出不同形状的构件应用在不同的环境下，具有较高的社会经济效益。
附图说明
图1是活塞式挤出筒的挤出口的尺寸示意图；
图2是水泥浆体堆积示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中，所述水泥为快硬型硫铝酸盐水泥，强度等级不低于42.5MPa；所述减水剂为干粉类聚羧酸类减水剂；所述可再分散乳胶粉为聚丙烯酸类乳胶粉；所述促凝剂为碳酸锂白色粉末；所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度为1000～20000Pa·s；所述消泡剂为干粉类有机硅氧烷类消泡剂；水性聚氨酯乳液、油性聚氨酯乳液的固含量均为30-35wt.％。
实施例1
一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，原材料包括以下重量份的材料组成：水泥 850份，减水剂4份，增稠剂温轮胶0.4份，可再分散乳胶粉150份，消泡剂2份，增稠剂纤维素醚1份，促凝剂1份。
具体制备方法如下：将制备的上述原材料粉料按配比称量好，除水外的其他原材料混合充分；按设定水灰比0.34，称量配合比中的用水量，再将混合后的粉料和水倒入搅拌容器中，搅拌程序为：先慢搅30s后，后快搅3-4min，混合均匀，所得浆体即为超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料。
上述超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)的初凝和终凝时间分别为28min和38min，能够在40min以内完成凝结固化并具有一定的强度。
上述超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)最大变形量测试采用单轴压缩实验。将新拌好的浆体装入到直径为50mm，高度为100mm的塑料模具中，插捣抹平，3h后脱模，脱模后将试块置于(20±1)℃水中养护7天，然后进行单轴压缩实验的测定其7d的最大变形量能达到5.1％。
上述超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)的可堆积性能测试，使用活塞式挤出筒将浆体从中挤出并进行逐层打印堆积，挤出口的尺寸如图1所示，挤出堆积示意图如图2 所示，测得其堆积率为60％。
上述超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)的力学性能参考GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行。该浆体1d抗折、抗压强度分别为8.1MPa和16.9MPa， 3d抗折、抗压强度分别达到了9.5MPa和19.3MPa，7d抗折、抗压强度分别达到了9.7MPa 和20.3MPa。测试结果表明实施例1所制备超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)的具有很好的柔韧性和弹性，很短的凝结时间，较强的力学性能，良好的3D打印性能。
实施例2
一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，原材料包括以下重量份的材料组成：水泥 750份，减水剂4份，增稠剂温轮胶0.5份，可再分散乳胶粉250份，消泡剂2份，增稠剂纤维素醚2份，促凝剂2份。
采用水灰比为0.36，且与实施例1相同的方法制备相应的浆体，测得最大变形量为7.2％，初凝和终凝时间分别为34min和45min。其1d抗折、抗压强度分别为5.8MPa和13.7MPa，3d抗折、抗压强度分别达到了7.5MPa和15.2MPa，7d抗折、抗压强度分别达到了8.0MPa和17.9MPa，堆积率为55％。测试结果表明实施例2所制备超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)具有很好的柔韧性，较好的力学性能，相对较短的凝结时间，良好的3D打印性能。
实施例3
一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，原材料包括以下重量份的材料组成：水泥 750份，减水剂4份，增稠剂温轮胶0.5份，水性聚氨酯乳液(采用鑫乐天牌水性聚氨酯防水涂料)200份，消泡剂2份，增稠剂纤维素醚3份，促凝剂4份。
采用水灰比为0.33,且与实施例1相同的方法制备相应的制品，测得最大变形量为5.5％，初凝和终凝时间分别为36min和45min。其1d抗折、抗压强度分别为5.5MPa和13.2MPa，3d抗折、抗压强度分别达到了7.2MPa和15.6MPa，7d抗折、抗压强度分别达到了8.3MPa和17.7MPa，堆积率为60％。测试结果表明实施例3所制备超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)具有很好的柔韧性，较好的力学性能，相对较短的凝结时间，良好的3D打印性能。
实施例4
一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，原材料包括以下重量份的材料组成：水泥 750份，减水剂4份，增稠剂温轮胶0.5份，油性聚氨酯乳液采用鑫乐天牌油性聚氨酯防水涂料200份，消泡剂2份，增稠剂纤维素醚1份，促凝剂4份。
采用水灰比为0.35，且与实施例1相同的方法制备相应的浆体，测得最大变形量为6.6％，初凝和终凝时间分别为38min和52min。其1d抗折、抗压强度分别为4.5MPa和12.3MPa，3d抗折、抗压强度分别达到了5.8MPa和15.1MPa，7d抗折、抗压强度分别达到了7.1MPa和16.5MPa，堆积率为60％。测试结果表明实施例4所制备超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料(浆体)具有很好的柔韧性，较好的力学性能，相对较短的凝结时间，良好的3D打印性能。
综上所述，本发明一种硫铝酸盐水泥基3D打印材料具有良好的柔韧性(最大变形量在 5％以上)，很短的凝结硬化时间(终凝时间不到1h)，较好的力学强度，(3d抗折强度在5MPa以上，3d抗压强度在15MPa以上)。由于采用的是硫铝酸盐水泥基材料，因此不必测定28d的强度。另外由于该发明不仅仅是使用作为路基路面，也可作为构件，因此在成型的形状和测试的手段上来看不是单一化的，可以根据不同的使用条件进行适当地调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，原料组分包括以下种类及其重量份：水泥750-850份，减水剂3-5份，增稠剂温轮胶0.3-0.6份，可再分散乳胶粉150-250份，消泡剂2-4份，增稠剂纤维素醚1-4份，促凝剂1-4份。
2.根据权利要求1所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯-乙烯共聚物类乳胶粉、聚丙烯酸类乳胶粉中一种或两种。
3.一种超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，原料组分包括以下种类及其重量份：水泥750-850份，减水剂3-5份，增稠剂温轮胶0.3-0.6份，聚氨酯乳液150-200份，消泡剂2-4份，增稠剂纤维素醚1-4份，促凝剂1-4份；其中，所述聚氨酯乳液的固含量为30％-35％。
4.根据权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述水泥的品种为快硬型硫铝酸盐水泥，其强度等级不低于42.5MPa。
5.根据权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述减水剂为干粉类聚羧酸类减水剂。
6.根据权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述促凝剂为碳酸锂白色粉末。
7.根据权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，所用粘度为1000～20000Pa·s。
8.根据权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料，其特征在于，所述消泡剂为干粉类有机硅氧烷类消泡剂。
9.一种如权利要求1或3所述的超柔性硫铝酸盐水泥基3D打印材料的使用方法，其特征在于，先将硫铝酸盐水泥、减水剂、温轮胶、消泡剂、聚合物、增稠剂纤维素醚、促凝剂进行混合，然后加入水进行搅拌均匀，进行3D打印即可。
10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，水的加入量按照水灰比为0.33-0.36来计量。
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