CN112456930B - 适宜3d打印的装配式道路面板的混凝土材料及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料及打印方法，及打印出的装配式道路面板，包括胶凝材料、钢纤维、减水剂、触变剂、缓凝剂和水，其中，所述钢纤维的体积掺量为0.5％～3％，所述减水剂掺量占胶凝材料总质量的0.5～1.5％，所述触变剂掺量占材料总质量的0.5％～10％，缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.1％～2.0％，所述水的掺量占胶凝材料质量的18％～35％。本发明基于水泥基材料设计理论、路面板受力分析和3D打印制造工艺特点，设计得到的装配式道路面板具有轻质高强、制备精度高、快速安装到位、短时间内通车运行、可承载道路载荷大且可循环性强等优点。

Description

适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料及打印方法

技术领域

本发明主要涉及混凝土3D打印领域领域，特别是涉及一种适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料及打印方法及打印出的装配式道路面板。

背景技术

走资源节约型发展道路已成为基础设施可持续发展的必然，要求持续提高绿色施工水平。相比西方发达国家，国内关于绿色施工研究起步较晚，建筑施工长期存在“高能耗、高污染和高排放”等问题。2014年，住建部参照国外标准并结合国情，颁布施行《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378― 2014)，其中“施工管理”对“降尘”、“废弃物减量化”提出明确要求。

目前施工临时道路多为一次性路面板，采用传统钢筋混凝土路面板。该路面板普遍存在的板底脱空及断裂、盐冻破坏、现浇养生时间长等缺点，且不具备循环性、经济性差，工程结束后拆除难度大、费用高，且产生大量的建筑垃圾，增加了环境污染。

将可循环装配式路面概念应用于施工临时道路，将可降低扬尘污染、减少车轮污迹和节能减排，亦可资源循环利用、减少固废排放。目前，可循环装配式路面有钢板路面和预制混凝土路面二种，但均存在诸多问题。可循环装配式钢板路面的主要问题如下：(1)钢板表面摩擦系数低；(2) 钢材易锈蚀；(3)钢板路面成本高，工程应用性价比低。装配式混凝土路面存在的主要问题：(1)采用常规混凝土材料，路面板自重大，拆装再利用困难、再利用经济性差；(2)采用模板浇筑成型的常规预制工艺，异形板制造成本高、再利用率低，导致经济性差。

3D打印技术应用到基础设施建造领域，具备以下优势：数字建造—产业升级、降维建造—化繁为简、降序建造—工艺简化、快速建造—提高效率、增材制造—减少浪费、精密建造—提高质量、减员建造—减少事故、绿色建造—降低污染。但3D打印制造方式带来的各向异性却为其应用带来一些不确定性，因为必须明确3D打印制品及结构的各向异性所带来的影响。另外，水泥基材料3D打印制造过程中由于水泥基材料自身流变特性及存在骨料等较重颗粒，往往难以做到挤出即定型，在自身重力作用下会发生一定变形，导致水泥基3D打印制品精度较低，这对于装配式混凝土临时道路来说是难以接受的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料及打印方法及打印出的装配式道路面板，本发明基于水泥基材料设计理论、路面板受力分析和3D打印制造工艺特点，设计得到的装配式道路面板具有轻质高强、制备精度高、快速安装到位、短时间内通车运行、可承载道路载荷大且可循环性强等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供一种适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料，包括胶凝材料、钢纤维、减水剂、触变剂、缓凝剂和水，其中，所述钢纤维的体积掺量为0.5％～3％，所述减水剂掺量占胶凝材料总质量的0.5～1.5％，所述触变剂掺量占材料总质量的0.5％～10％，所述缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.1％～2.0％，所述水的掺量占胶凝材料质量的18％～35％。

进一步地，所述触变剂包括纤维素醚、增稠剂、乳液和纳米黏土组成的复合物，所述乳液占触变剂总质量的10％～99.5％；所述增稠剂的掺量为乳液质量的0.5％～5％。

进一步地，所述增稠剂为缔合型增稠剂。

进一步地，所述乳液为羧基改性乳液。可以为丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、乙烯-醋酸乙烯酯乳液和苯乙烯-丙烯酸酯乳液中一种或几种复合物。同时，优选的乳液必须为羧基改性乳液，以便可以稳定地在水泥基材料中稳定分散。

进一步地，所述胶凝材料包括硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量的2％～20％。所述硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，可以为P.O 52.5水泥或者更高等级水泥。

进一步地，所述钢纤维为光面平直钢纤维，长度为5mm～15mm，长径比≥10。

另一方面，提供一种装配式道路面板的3D打印方法，将所述的适宜 3D打印的装配式道路面板的混凝土材料作为打印材料，采用3D打印设备进行打印，可不需要使用模板。

进一步地，采用层层叠加的制造方式进行打印：打印平面与路面板平面平行，与行车荷载作用方向垂直。通过这种层层叠加的制造方式，可以充分利用材料自身重力，增强上下两层材料之间的结合能力，提高板件力学性能。

进一步地，通过打印方向设置使打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直。通过打印方向设置，打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直，由于3D打印工艺的特点，将会在板件行车面上形成相互平行的条状纹理，行走方向与行车方向垂直时，所述条状纹理将与行车方向垂直，可以起到增加路面摩擦系数的效果。

进一步地，采用边框加填充的打印模式，在这种模式下，通过首先打印边框可以有效提升打印精度。所述边框的宽度为3D打印设备喷嘴直径的1～5倍。

进一步地，所述填充为交错填充模式，交错填充模式为：当第n层沿某单向填充时，第n+1层的填充方向与第n层的填充方向正交，且第n+1 层也为单向填充，其中n≥1。，交错填充模式下，3D打印路面板件综合力学性能最优，而平行填充时，存在优势方向，由于路面板受力复杂，交错填充模式将可以赋予板件更好的应用性能。

再一方面，提供一种装配式道路面板，包括层层叠加的若干层混凝土打印板，每层混凝土打印板包括依次相连的若干打印条板，所述打印条板采用边框加填充打印模式打印得来，且相邻两层的打印条板排列方向为正交。可采用上述的打印方法打印上述的混凝土材料进行打印获得。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明紧跟建筑施工技术发展方向，将装配式路面技术引入施工临时道路中，提出可循环利用的装配式混凝土临时道路面板。本发明结合水泥基材料设计理论、路面板受力分析和3D打印制造工艺特点，提出一种适宜 3D打印制造的可循环装配式混凝土临时道路面板的轻质高强材料，提高路面板强度、降低面板厚度和自重，同时提高路面板的循环利用性能。通过优化的材料组合及3D打印制造工艺，除具备3D打印制造无模板特点外，还具打印精度高的特点；另外，优化的3D打印制造工艺充分利用3D打印制造过程中含纤维悬浮流中钢纤维自动取向的特点，赋予可循环装配式混凝土临时道路面板更高的应用性能。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明通过3D打印方式打印出的装配式道路面板的的一个实施例的结构示意图。

图2是对比例2制备的道路面板结构示意图，其中，(a)、(b)为不同打印长度和打印数量的道路面板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的产品，均在保护范围之内。

实施例1：

本实施例的混凝土材料包含有钢纤维、胶凝材料、减水剂、触变剂、缓凝剂和水，其中，钢纤维的体积掺量为3％，减水剂掺量占胶凝材料总质量的1％，触变剂掺量占材料总质量的10％，缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.1％，水的掺量占胶凝材料质量的18％。

本实施例的钢纤维为光面平直钢纤维，长度为5mm，长径比12。

本实施例的胶凝材料为普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合物。普通硅酸盐水泥为P.O 52.5水泥，也可以选择更高等级水泥，硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比例为20％。

本实施例的触变剂为纤维素醚、缔合型增稠剂、乳液和纳米黏土复合物。其中，乳液占触变剂总质量的99.5％，缔合型增稠剂的掺量占乳液质量的5％。

本实施例的乳液可以为丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、乙烯-醋酸乙烯酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液中一种或几种复合物；同时，优选的乳液必须为羧基改性乳液，以便可以稳定地在水泥基材料中稳定分散。

本实施例的装配式临时道路面板的打印方法为：

利用本实施例的混凝土材料进行打印，预制装备采用3D打印装备，不使用模板。

打印设置为：印平面与路面板平面平行，与行车荷载作用方向垂直。并且通过打印方向设置，打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直。同时采用边框加填充的打印模式。边框宽度为3D打印装备喷嘴直径的1倍。交错填充模式是指：即当第n层沿某单向填充时，第(n+1)层也为单向填充，但此方向与上一层正交。其中，n≥1。打印出的面板如图1所示。

实施例2

本实施例的混凝土材料包含有钢纤维、胶凝材料、触变剂、缓凝剂和水，其中，钢纤维的体积掺量为0.5％，减水剂掺量占胶凝材料总质量的1％，触变剂掺量占材料总质量的0.5％，缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的2.0％，水的掺量占胶凝材料质量的35％。

本实施例的钢纤维为光面平直钢纤维，长度为15mm，长径比12。

本实施例的胶凝材料为普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合物。普通硅酸盐水泥为P.O 52.5水泥，也可以选择更高等级水泥，硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比例为2％。

本实施例的触变剂为纤维素醚、缔合型增稠剂、乳液和纳米黏土复合物。其中，乳液占触变剂总质量的10％，缔合型增稠剂的掺量占乳液质量的 0.5％。

本实施例的乳液可以为丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、乙烯-醋酸乙烯酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液中一种或几种复合物；同时，优选的乳液必须为羧基改性乳液，以便可以稳定地在水泥基材料中稳定分散。

本实施例的装配式临时道路面板的打印方法为：

利用本实施例的混凝土材料进行打印，预制装备采用3D打印装备，不使用模板。

打印设置为：印平面与路面板平面平行，与行车荷载作用方向垂直。并且通过打印方向设置，打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直。同时采用边框加填充的打印模式。边框宽度为3D打印装备喷嘴直径的5倍。交错填充模式是指：即当第n层沿某单向填充时，第(n+1)层也为单向填充，但此方向与上一层正交。其中，n≥1。打印出的面板如图1所示。

实施例3

本实施例的混凝土材料包含有钢纤维、胶凝材料、触变剂、缓凝剂和水，其中，钢纤维的体积掺量为2％，减水剂掺量占胶凝材料总质量的1％，触变剂掺量占材料总质量的4％，缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.8％，水的掺量占胶凝材料质量的23％。

本实施例的钢纤维为光面平直钢纤维，长度为10mm，长径比≥12。

本实施例的胶凝材料为普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合物。普通硅酸盐水泥为P.O 52.5水泥，也可以选择更高等级水泥，硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比例为10％。

本实施例的触变剂为纤维素醚、缔合型增稠剂、乳液和纳米黏土复合物。其中，乳液占触变剂总质量的48％，缔合型增稠剂的掺量占乳液质量的 3％。

本实施例的乳液可以为丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、乙烯-醋酸乙烯酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液中一种或几种复合物；同时，优选的乳液必须为羧基改性乳液，以便可以稳定地在水泥基材料中稳定分散。

本实施例的装配式临时道路面板的打印方法为：

利用本实施例的混凝土材料进行打印，预制装备采用3D打印装备，不使用模板。

打印设置为：印平面与路面板平面平行，与行车荷载作用方向垂直。并且通过打印方向设置，打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直。同时采用边框加填充的打印模式。边框宽度为3D打印装备喷嘴直径的1.3倍。交错填充模式是指：即当第n层沿某单向填充时，第(n+1)层也为单向填充，但此方向与上一层正交。其中，n≥1。打印出的面板如图1 所示。

对比例1

本对比例的混凝土材料包含有钢纤维、胶凝材料、触变剂、缓凝剂和水，其中，钢纤维的体积掺量为0.1％，减水剂掺量占胶凝材料总质量的1％，触变剂掺量占材料总质量的0.1％，缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.8％，水的掺量占胶凝材料质量的25％。

本对比例的钢纤维为光面平直钢纤维，长度为10mm，长径比≥12。

本对比例的胶凝材料为普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合物。普通硅酸盐水泥为P.O 52.5水泥，硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量比例为10％。

本对比例的触变剂为纤维素醚、缔合型增稠剂、乳液和纳米黏土复合物。其中，乳液占触变剂总质量的5％，缔合型增稠剂的掺量占乳液质量的0.1％。

本对比例的乳液为丙烯酸酯乳液。

对比例2

采用实施例2的混凝土材料，区别为不含触变剂。

对比例3

采用实施例1的混凝土材料，采用普通平铺打印方式进行打印出混凝土面板。

本发明上述的实施例1～3制备的面板的性能进行检测，可实现抗压强度分别为87.15MPa、85.68MPa、89.13MPa(均为行车荷载作用方向)，抗弯拉强度分别为10.29MPa、10.10MPa、10.53MPa，远高于普通混凝土。通过有限元分析计算可知，本发明实施例1提供的可循环装配式混凝土临时道路面板与工程上常用的普通C40混凝土路面板相比，在相同荷载下，板底应力更低，且在此应力水平下，当设计板件厚度为14cm厚时，本发明所述的实施例1～3提供的可循环装配式混凝土临时道路面板疲劳寿命N为普通24cm厚C40混凝土路面板的17.45、8.57、41.69倍，同时减重42％，便于循环施工。

而对比例1制备的面板由于减少了触变剂的掺量，拌和后的混凝土难以支撑自重，打印的时候容易出现坍塌现象。进一步地，对比例2中完全去掉了触变剂组分，导致对比例2在拌和后甚至具有流动性，完全不符合 3D打印的建造方式。而对比例3，在Y、Z方向抗压强度仅为实施例1的 80％，且材料抗弯拉强度存在方向性，如图2所示，当将对比例打印试件按照Y方向切割后，抗弯拉强度仅为X方向的75％。结合混凝土材料工作性、力学性能等方面及路面板的受力分析，对比例1和2均劣于上述实施例1～3。

本发明紧跟建筑施工技术发展方向，将装配式路面技术引入施工临时道路中，提出可循环利用的装配式混凝土临时道路面板。同时结合水泥基材料设计理论、路面板受力分析和3D打印制造工艺特点，提出一种适宜3D 打印制造的可循环装配式混凝土临时道路面板的轻质高强材料，提高路面板强度、降低面板厚度和自重，同时提高路面板的循环利用性能。通过优化的材料组合及3D打印制造工艺，除具备3D打印制造无模板特点外，还具打印精度高的特点；另外，优化的3D打印制造工艺充分利用3D打印制造过程中含纤维悬浮流中钢纤维自动取向的特点，赋予可循环装配式混凝土临时道路面板更高的应用性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料，其特征在于，包括胶凝材料、钢纤维、减水剂、触变剂、缓凝剂和水，其中，所述钢纤维的体积掺量为0.5％～3％，所述减水剂掺量占胶凝材料总质量的0.5～1.5％，所述触变剂掺量占材料总质量的0.5％～10％，所述缓凝剂的掺量占胶凝材料质量的0.1％～2.0％，所述水的掺量占胶凝材料质量的18％～35％；

所述胶凝材料采用硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，所述硫铝酸盐水泥占胶凝材料质量的2％～20％；

所述触变剂包括纤维素醚、增稠剂、乳液和纳米黏土组成的复合物，所述乳液占触变剂总质量的10％～99.5％；所述增稠剂的掺量为乳液质量的0.5％～5％；所述乳液为羧基改性乳液。

2.根据权利要求1所述的适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料，其特征在于，所述增稠剂为缔合型增稠剂。

3.根据权利要求1或2所述的适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料，其特征在于，所述乳液为丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯乳液、乙烯-醋酸乙烯酯乳液和苯乙烯-丙烯酸酯乳液中一种或几种复合物。

4.根据权利要求1或2所述的适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料，其特征在于，所述钢纤维为光面平直钢纤维，长度为5mm～15mm，长径比≥10。

5.一种装配式道路面板的3D打印方法，其特征在于，将权利要求1至4任一所述的适宜3D打印的装配式道路面板的混凝土材料作为打印材料，采用3D打印设备进行打印。

6.根据权利要求5所述的装配式道路面板的3D打印方法，其特征在于，采用层层叠加的制造方式进行打印：打印平面与路面板平面平行，与行车荷载作用方向垂直；

和/或，通过打印方向设置使打印制备最后一层打印喷头行走方向与行车方向垂直。

7.根据权利要求5或6所述的装配式道路面板的3D打印方法，其特征在于，采用边框加填充的打印模式，所述边框的宽度为3D打印设备喷嘴直径的1～5倍。

8.根据权利要求7所述的装配式道路面板的3D打印方法，其特征在于，所述填充为交错填充模式，交错填充模式为：当第n层沿某单向填充时，第n+1层的填充方向与第n层的填充方向正交，且第n+1层也为单向填充，其中n≥1。

9.一种装配式道路面板，其特征在于，采用权利要求5-8任一项所述的3D打印方法打印，包括层层叠加的若干层混凝土打印板，每层混凝土打印板包括依次相连的若干打印条板，所述打印条板采用边框加填充打印模式打印得来，且相邻两层的打印条板排列方向为正交。

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