CN113372074B - 一种复掺木质素纤维的低收缩3d打印混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种复掺木质素纤维的低收缩3d打印混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土及其制备方法。混凝土包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰、石英砂、水和外加剂。本发明首次将木质素纤维应用于3D打印混凝土中，起到内养护和纤维增韧的作用，能够有效降低3D打印混凝土各个龄期的收缩变形，提高早期抗开裂性能，有效改善3D打印混凝土的层间粘结性能，同时能够调节混凝土材料的湿度平衡。使用高贝利特硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按适宜比例复掺作为3D打印混凝土的胶凝材料。高贝利特硫铝酸盐水泥快凝、早强的特点能够优化混凝土的可打印性，提高混凝土的早期强度，低收缩的特点能够降低3D打印混凝土后期的收缩变形。

Description

一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及土木工程材料领域，具体是一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土及其制备方法。
背景技术
3D打印技术是一种基于增材制造原理的新型加工技术，近年来在土木工程领域中的应用越来越广泛。与传统建造方式相比，3D打印建造技术施工速度快，不再需要使用模板和数量庞大的建筑工人，并能够非常容易地打印出其他方式难以建造的曲线建筑，大大提高了生产效率，具有低碳、绿色、环保等特点。研究表明，采用3D打印建造技术可减少30～60％建筑垃圾的产生，并能节约50～80％的人工费用和50～70％的建造时间。
3D打印混凝土由于独特的成型工艺，较之普通浇筑模式混凝土面临更为严重的收缩开裂风险。首先，在3D打印混凝土的配合比设计过程中，为满足挤出性要求通常不使用粗骨料，并且胶凝材料在混凝土体系中所占比例较大，一般达到45～50％，而在普通浇筑形式混凝土中胶凝材料占比通常仅为15～25％，因此3D打印混凝土收缩也高于浇筑形式混凝土。另一方面，为了获得良好的建造性，3D打印混凝土通常具有快凝、早强的特点，因此早期收缩发展较快。此外，由于3D打印混凝土在逐层堆叠的成型过程中始终暴露在空气中，没有模板围护，水分蒸发流失迅速，对材料的收缩造成非常不利的影响，加剧了材料收缩开裂的风险。
在选择胶凝材料时使用收缩较低的水泥基材料，是一种可以有效降低混凝土收缩的技术措施。高贝利特硫铝酸盐水泥，以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分，具有凝结速度快、早期强度高、收缩较低等优点。然而，由于高贝利特硫铝酸盐水泥凝结速度较快，单独使用时无法满足3D打印挤出工艺要求。使用缓凝剂等化学外加剂来调节其凝结时间，则会对材料耐久性产生不利影响。掺加膨胀剂来补偿收缩是一种有效的混凝土减缩措施。然而，膨胀剂在3D打印混凝土中的应用还很欠缺，并且膨胀剂不能对3D打印混凝土的层间粘结性能起到改善作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土及其制备方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，该混凝土包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰、石英砂、水和外加剂。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明首次将木质素纤维应用于3D打印混凝土中，起到内养护和纤维增韧的作用，能够有效降低3D打印混凝土各个龄期的收缩变形，提高3D打印混凝土的早期抗开裂性能，并能有效改善3D打印混凝土的层间粘结性能，同时能够调节混凝土材料的湿度平衡。
(2)本发明使用高贝利特硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按适宜比例复掺作为3D打印混凝土的胶凝材料。高贝利特硫铝酸盐水泥快凝、早强的特点能够优化3D打印混凝土的可打印性，提高混凝土的早期强度，同时高贝利特硫铝酸盐水泥低收缩的特点能够降低3D打印混凝土后期的收缩变形。
(3)掺加适宜掺量的UEA膨胀剂，能够有效补偿3D打印混凝土的收缩并提高其早期抗开裂能力。
(4)本发明选择的硅灰粒径范围能够充分填充3D打印混凝土的孔隙，提高3D打印混凝土的密实度和强度；同时，本发明选用较低粒径的硅灰，能够保证其具有高的比表面积，能有效提高3D打印混凝土的粘结性能与保水性能。
(5)本发明选择的石英砂粒径范围能使3D打印混凝土具有良好的颗粒集配和较高的自密实度。
(6)本发明选择适宜的水和外加剂的掺量能够使3D打印混凝土在较低水胶比的情况下具备良好的流动性和挤出性。
(7)本发明使用外加剂是具有减水作用的聚羧酸系减水剂和具有保水作用的增稠剂。减水剂的使用有助于提高流动性，增稠剂的使用可提高水泥基材料的建造性能。二者同时使用，增稠剂颗粒能够沉淀在减水剂表面使其空间位阻作用失效；同时，增稠剂能够吸附和包裹减水剂从而消耗减水剂的吸附数量。因而，二者对水泥基材料的流变性能是竞争关系。但3D打印对水泥基复合材料的性能的要求也是双重的，一方面需要较高的流动性、一方面又需要较高的形状保持能力，即建造性。两者同时使用，正好可用于优化3D打印工艺对水泥基材料性能的综合要求。
(8)本发明制备的复合材料具有良好的可打印性、力学强度，能有效降低普通硅酸盐水泥基3D打印混凝土的收缩并提高其早期抗开裂性能。
附图说明
图1为本发明的实施例1和实施例2以及对比例1和对比例2的挤出性测试结果图；其中(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为对比例1，(d)为对比例2；
图2为本发明的实施例1和实施例2以及对比例1和对比例2的建造性测试结果图；其中(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为对比例1，(d)为对比例2；
图3为本发明的实施例1和实施例2以及对比例1和对比例2的0～24h收缩测试结果图；
图4为本发明的实施例1和实施例2以及对比例1和对比例2的1～120d收缩测试结果图；
图5为本发明的实施例1和实施例2以及对比例1和对比例2的早期抗开裂性能测试结果图；其中(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为对比例1，(d)为对比例2；
图6为本发明的实施例1的打印成品图；
图7为本发明的实施例2的打印成品图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土(简称混凝土)，其特征在于，该混凝土按重量份计包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.02～0.08份、普通硅酸盐水泥0.92～0.98份、木质素纤维0～0.04份、UEA膨胀剂0.05～0.1份、硅灰0.1～0.12份、石英砂1.1～1.3份、水0.38～0.42份和外加剂0.002～0.0035份。
优选地，该混凝土初凝时间为40～60min，流动度为180～200mm，挤出性和建造性良好，适用于3D打印；并且其0～24h龄期收缩为3.21～3.66‰，1～120d龄期收缩为0.72～1.03‰，其28d抗压强度为42.1～43.1MPa，28d抗折强度为6.3～6.8MPa。
优选地，该混凝土按重量份计包括木质素纤维0.01～0.04份。
优选地，木质素纤维的掺量为水泥掺量的1～4％，即木质素纤维的重量为高贝利特硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的质量之和的1～4％。
优选地，所述外加剂由增稠剂和聚羧酸系减水剂组成；其中，增稠剂0.001～0.0015份，聚羧酸系减水剂0.001～0.002份。
优选的，所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1～632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min。
优选的，所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2～355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。
优选地，在3D打印混凝土中掺加木质素纤维，一是，木质素纤维能同时起到内养护和纤维增韧的作用，能够有效降低3D打印混凝土各个龄期的收缩变形，提高3D打印混凝土的早期抗开裂性能，并能有效改善3D打印混凝土的层间粘结性能。二是，木质素纤维是一种具有保水和释水功能的材料，木质纤维素的加入有助于缓和与平衡外加剂对于水分调控的不准确。因为外加剂的保水和减水能力，与材料的种类和配合比等都具有关联，难以进行精确的调控。
优选的，所述木质素纤维的密度为0.8g/cm3，饱和吸水率为200％。
优选的，UEA膨胀剂的掺量为水泥掺量的5～10％，即UEA膨胀剂的重量为高贝利特硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的质量之和的5～10％；UEA膨胀剂的14天水中养护限制膨胀率大于0.025％。
优选的，所述硅灰的粒径为1～50μm。
优选的，所述石英砂的粒径为180～380μm。
本发明同时提供了一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂这些干料混合，得到复合水泥基材料；
将增稠剂和聚羧酸系减水剂加入到水中，搅拌均匀，得到混合水溶液；
(2)将复合水泥基材料与混合水溶液混合，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
优选地，步骤(1)中，高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂的混合设备为混凝土搅拌机，混合时间为3～5min；增稠剂、聚羧酸系减水剂与水的混合时间为2～3min。
优选地，步骤(2)具体是：先将混合水溶液的2/3倒入搅拌机中与复合水泥基材料充分混合搅拌5～6min，然后倒入剩余的1/3的混合水溶液，再搅拌2～3min，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
本发明制备方法能够使各种组分得到更加均匀、充分的混合。
优选地，一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂这些干料混合，得到复合水泥基材料；
(2)将增稠剂和聚羧酸系减水剂加入到水中，搅拌均匀，得到混合水溶液；
(3)将复合水泥基材料与混合水溶液混合，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
本发明还提供了一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的应用，其特征在于，将所述复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内进行3D打印得到制品；所述打印喷头口径为15～20mm，打印速度为45～55mm/s。
本发明通过泵送或机械输送的送料方式，能够保证复合材料在3D打印时的连续性。在本发明中，所选择的打印喷头口径和打印速度能够保证打印浆料挤出的连续性，同时使打印制品具有良好的成型能力。
在本发明中，所述制品的养护环境温度为25±5℃、相对湿度为60±10％。本发明选择的养护温度和相对湿度更接近室内自然条件，在打印完成后无需特殊养护处理，应用方式更为便捷。
下面通过2个实施例和2个对比例来具体说明本发明的实施方式和效果。
实施例1
本实施例1复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，按重量份计，包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.05份、普通硅酸盐水泥0.9份、木质素纤维0.02份、UEA膨胀剂0.05份、硅灰0.12份、石英砂1.2份、水0.4份、增稠剂0.001份和聚羧酸系减水剂0.002份。
所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1～632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min。所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2～355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。所述木质素纤维的密度为0.8g/cm3，饱和吸水率为200％。所述UEA膨胀剂的14天水中养护限制膨胀率大于0.025％。所述硅灰的粒径为1～50μm，所述石英砂的粒径为180～380μm。
复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)将高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂这些干料混合，得到复合水泥基材料；
将增稠剂和聚羧酸系减水剂加入到水中，搅拌均匀，得到混合水溶液；
(2)将复合水泥基材料与混合水溶液混合，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
所述复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内进行3D打印得到制品，所述打印喷头口径为15～20mm，打印速度为45～55mm/s，得到的打印制品后的养护环境温度为25±5℃、相对湿度为60±10％。
实施例2
本实施例2复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，按重量份计，包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.05份、普通硅酸盐水泥0.9份、木质素纤维0.04份、UEA膨胀剂0.05份、硅灰0.12份、石英砂1.2份、水0.4份、增稠剂0.001份和聚羧酸系减水剂0.002份。
所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1～632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min。所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2～355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。所述木质素纤维的密度为0.8g/cm3，饱和吸水率为200％。所述UEA膨胀剂的14天水中养护限制膨胀率大于0.025％。所述硅灰的粒径为1～50μm，所述石英砂的粒径为180～380μm。
复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)将高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂这些干料混合，得到复合水泥基材料；
将增稠剂和聚羧酸系减水剂加入到水中，搅拌均匀，得到混合水溶液；
(2)将复合水泥基材料与混合水溶液混合，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
所述复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内进行3D打印得到制品，所述打印喷头口径为15～20mm，打印速度为45～55mm/s，得到的打印制品后的养护环境温度为25±5℃、相对湿度为60±10％。
对比例1
本对比例1复合材料，按重量份计，包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.05份、普通硅酸盐水泥0.9份、硅灰0.12份、石英砂1.2份、水0.4份、增稠剂0.001份和聚羧酸系减水剂0.002份。
所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1～632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min。所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2～355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。所述硅灰的粒径为1～50μm。所述石英砂的粒径为180～380μm。
制备方法、应用参数以及养护方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例2复合材料，按重量份计，包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.05份、普通硅酸盐水泥0.9份、UEA膨胀剂0.05份、硅灰0.12份、石英砂1.2份、水0.4份、增稠剂0.001份和聚羧酸系减水剂0.002份。
所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1～632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min。所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2～355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。所述UEA膨胀剂的14天水中养护限制膨胀率大于0.025％。所述硅灰的粒径为1～50μm，所述石英砂的粒径为180～380μm。
制备方法、应用参数以及养护方法与实施例1相同。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2的流动度测试按照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行，凝结时间测试按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2的建造性测试是使用桌面式打印机打印试件，打印层层高10mm，试件尺寸为400mm×50mm×100mm。尺寸为测试实际打印高度来评价材料的建造性。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2的0～24h收缩测试使用的设备为非接触式激光位移计，使用桌面式打印机打印试件，打印层层高10mm，试件尺寸为400mm×50mm×100mm。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2的1～120d收缩测试使用的设备为数显式千分表，使用桌面式打印机打印试件，打印层层高10mm，试件尺寸为400mm×50mm×100mm。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2的早期抗开裂性能测试使用桌面式打印机打印试件，打印层层高10mm，试件尺寸为400mm×50mm×100mm。在试件沿长度方向的两端设置收缩约束支架，支架10mm、45mm和90mm高度上分别焊接直径6mm、长度150mm的螺纹钢钉。试件打印成型后，立即将收缩约束支架缓慢插入试件(插入长度为1/6试件长度)，打开电风扇使试件沿长边方向的表面风速达到5m/s，并开启试件一侧500mm处的1000W碘钨灯，以加速3D打印混凝土水分蒸发。连续光照2h之后关闭碘钨灯，连续风吹4h之后关闭风扇。记录试件光照一侧初始裂缝出现时间，并在实验结束后记录光照一侧的裂缝面积。
本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2采用滑轨式3D打印机打印拱形构件，构件跨度为1000mm，层高10mm，共10层。
表1实施例1～2与对比例1～2的3D打印成品性能测试结果
Figure BDA0003141003200000061
Figure BDA0003141003200000071
根据表1及图1、图2中实施例1～2与对比例1～2的3D打印成品性能的测试结果，实施例1～2与对比例1～2相比，实施例1～2的流动度下降，初凝时间和终凝时间缩短，并且打印高度更接近实设计高度。相较于对比例1，对比例2中掺加了适量UEA膨胀剂，UEA膨胀剂会使水泥材料的凝结时间缩短，早期强度提高，具有更好的建造性。相较于对比例2，实施例1～2中掺加了适量木质素纤维，木质素纤维具有吸水性，因此使材料的流动度有所降低，凝结时间缩短。
根据表1及图3、图4中实施例1～2与对比例1～2的3D打印成品性能的测试结果，对比例2与对比例1相比，对比例2中掺加适量UEA膨胀剂，能起到收缩补偿作用，因此对比例2的收缩变形低于对比例1。实施例1～2与对比例1～2相比，实施例1～2的0～24h收缩和1～120d收缩均显著下降。与对比例1～2相比，实施例1～2中掺加适量木质素纤维，木质素纤维对3D打印混凝土能同时起到内养护和纤维增韧效果，使3D打印混凝土的收缩变形显著降低。
根据表1及图5中实施例1～2与对比例1～2的3D打印成品性能的测试结果，实施例1～2与对比例1～2相比，实施例1～2均未开裂。与对比例1～2相比，实施例1～2中掺加适量木质素纤维，有效提高了3D打印混凝土的早期抗开裂能力。
实施例1和实施例2打印成品如图6和图7所示。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，该混凝土按重量份计包括如下组分：高贝利特硫铝酸盐水泥0.02~0.08份、普通硅酸盐水泥0.92~0.98份、木质素纤维0.01~0.04份、UEA膨胀剂0.05~0.1份、硅灰0.1~0.12份、石英砂1.1~1.3份、水0.38~0.42份和外加剂0.002~0.0035份；其中，木质素纤维的饱和吸水率为200%。
2.根据权利要求1所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，该混凝土初凝时间为40~60min，流动度为180~200mm，0~24h龄期收缩为3.21~3.66‰，1~120d龄期收缩为0.72~1.03‰，28d抗压强度为42.1~43.1MPa，28d抗折强度为6.3~6.8MPa。
3.根据权利要求1所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，所述外加剂由增稠剂和聚羧酸系减水剂组成；其中，增稠剂0.001~0.0015份，聚羧酸系减水剂0.001~0.002份。
4.根据权利要求1所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，所述高贝利特硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.1~632.5μm，初凝时间≥30min，终凝时间≤90min；普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5级，粒径为0.2~355.7μm，初凝时间≥50min，终凝时间≤560min。
5.根据权利要求1所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土，其特征在于，所述木质素纤维的密度为0.8g/cm³；UEA膨胀剂的14天水中养护限制膨胀率大于0.025%；硅灰的粒径为1~50μm；石英砂的粒径为180~380μm。
6.一种权利要求1-5任一所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂混合，得到复合水泥基材料；
将外加剂加入到水中，搅拌均匀，得到混合水溶液；所述外加剂由增稠剂和聚羧酸系减水剂组成；
（2）将复合水泥基材料与混合水溶液混合，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
7.根据权利要求6所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，高贝利特硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、木质素纤维、UEA膨胀剂、硅灰和石英砂的混合设备为混凝土搅拌机，混合时间为3~5min；增稠剂、聚羧酸系减水剂与水的混合时间为2~3min。
8.根据权利要求6所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，步骤（2）具体是：先将混合水溶液的2/3倒入搅拌机中与复合水泥基材料充分混合搅拌5~6min，然后倒入剩余的1/3的混合水溶液，再搅拌2~3min，得到复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土。
9.一种权利要求1-5任一所述的复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土的应用，其特征在于，将所述复掺木质素纤维的低收缩3D打印混凝土泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内进行3D打印得到制品；所述打印喷头口径为15~20mm，打印速度为45~55mm/s；
制品的养护环境温度为25±5℃、相对湿度为60±10%。
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