CN113500188B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用3D打印的三维金属纤维‑水泥基复合材料及制备，包括三维金属纤维的金属粉末组成元素、增材制造关键工艺参数、纤维分类方式和几何形态特征，依据水泥基材料配合比确定三维金属纤维含量与几何特征参数的方法，三维金属纤维几何形态与力学性能检测标准与方法，以及纤维与基体材料拌和方法。本发明提出的空间三维金属纤维在被拔出水泥基体时，其破坏面将呈空间形态，拔出断裂能大幅度提高，其与水泥基组合而成的复合材料具有高韧性、抗拉强度高的特点，适用于3D打印混凝土技术，对3D打印技术的工程应用和发展具有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及到3D打印建筑材料领域，具体涉及一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料。
背景技术
3D打印技术已受到世界各国广泛重视，被视为工业制造4.0的核心技术。但受到打印工艺影响，3D打印混凝土材料的各向异性和脆性更为显著，且在3D打印构件中钢筋的配置尚难以实现，因此3D打印混凝土技术急需一种高韧性水泥基类材料，以推动其在实际工程中的应用。
研究表明，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。例如，根据文献[岳健广，夏月飞，方华.钢纤维混凝土断裂破坏机理及受拉损伤本构试验研究.土木工程学报，2021，54(02)：93-106]试验结果，当掺入体积含量为1.5％的钢纤维时，混凝土的抗拉强度可提高约2.5倍，断裂能约提高20倍。然而，目前所采用的常规金属纤维均为空间二维几何形态，如直线型、端钩形。据调研，尚未发现用于增强水泥基材料的空间三维几何形态的金属纤维。与一维和二维形态的金属纤维相比，空间三维金属纤维在被拔出水泥基体时，其破坏面将呈空间形态，拔出机理会有本质变化，拔出断裂能将大幅度提高。
因此，本发明提出的三维金属纤维-水泥基复合材料具有高韧性、抗拉强度高的特点，适用于3D打印混凝土技术，对其工程应用具有重要作用。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种适用于3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，提出了一种以增材制造技术制备的三维金属纤维，给出了金属粉末组成元素和制备工艺参数，根据不同的基体水灰比确定纤维含量及其几何形态特征，提出了三维金属纤维-水泥基复合材料的制备方法。相比于常规金属纤维-水泥基复合材料，本发明提出的三维金属纤维-水泥基复合材料具有更高的抗拉、抗弯、抗剪强度及断裂韧性，为3D打印混凝土工程应用提供了一种新型高韧性水泥基复合材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥100份；砂100份；减水剂0.47份；增稠剂0.2份；消泡剂0.2份；水26份；三维金属纤维；所述三维金属纤维的掺量为0～3％；
所述三维金属纤维利用选区激光熔融增材制造技术制备：基于分层制造原理，将三维模型层层切片，并使用激光作为热源，根据切片信息将预先铺在成形面上的金属粉末的融化，然后工作平面下降，铺粉装置铺设新一层金属粉末，如此层层堆积直至成形；
所采用金属粉末的组成元素及其含量为：0.034％～0.07％碳、0.12％氮、0.056％～0.1％氧、0.1％～0.69％硅、0.022％～0.033％磷、0.002％～0.03％硫、16％～16.75％铬、0.224％～1％锰、72.237％～76.849％铁、3.64％～4.19％镍、2.66％～4.02％铜、0.2％～0.26％铌、0.093％～0.5％钼；
所采用金属粉末粒径为15～20μm，霍尔流速为40～50s/50g；
其中，激光功率为200W、光斑尺寸为100μm、扫描速度为650mm/s、分层厚度为15～20μm、扫描间距为80μm，打印成形后在788℃条件下热处理1～1.5小时；所述三维金属纤维的打印路径与纤维的长度方向平行。
进一步的，所述三维金属纤维包括主干、结点和分肢；
所述主干的几何形态包括一元、二元和三元类型，一元类型为直线型，二元类型包括波浪型和折线型，三元类型包括螺旋型；所述波浪型、折线型和螺旋型主干分别由圆弧、折线和空间圆弧形式的几何单元组成；主干的有效长度Lf的合理取值范围为16～35mm；
所述结点均匀分布在主干上；结点的几何形态为球体，其中心与主干、分肢轴线的交点重合；
所述分肢通过结点与主干相连接，分肢与主干的夹角α范围为60°～90°；同结点处的相邻分肢之间的夹角β范围为45°～120°。
进一步的，所述三维金属纤维的体积含量Vf根据基体水灰比w/c确定，w指水的重量、c指水泥的重量：
(1)当w/c<0.26时，若为一元类型，则Vf≤1.0％；若为二元类型，则Vf≤0.8％；若为三元类型，则Vf≤0.7％；
(2)当0.26≤w/c<0.3时，若为一元类型，则Vf≤2.0％；若为二元类型，则Vf≤1.6％；若为三元类型，则Vf≤1.3％；
(3)当0.3≤w/c≤0.4时，若为一元类型，则Vf≤3.0％；若为二元类型，则Vf≤2.4％；若为三元类型，则Vf≤1.9％。
进一步的，所述一元直线型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<2.0％，则Lf＝0.9D；若2.0％≤Vf≤3.0％，则Lf＝0.8D，其中D为打印喷嘴直径；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<2.0％，则d1＝d2＝900μm；若2.0％≤Vf≤3.0％，则d1＝d2＝700μm；
(3)分肢长度lf应满足以下条件：若Vf<2.0％，则lf＝0.3Lf；若2.0％≤Vf≤3.0％，则lf＝0.2Lf；
(4)结点间距d取值范围为：d＝(0.5～0.65)Lf；
(5)结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1。
进一步的，所述二元波浪型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.6％，则Lf＝0.9D；若1.6％≤Vf≤2.4％，则Lf＝0.8D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.6％，则d1＝d2＝900μm；若1.6％≤Vf≤2.4％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为圆弧；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.3～0.35)Lf并取整；
(5)几何单元的弧度θ范围为：0<θ<π；
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k≤0.6；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1。
进一步的，所述二元折线型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.6％，则Lf＝0.9D；若1.6％≤Vf≤2.4％，则Lf＝0.8D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.6％，则d1＝d2＝900μm；若1.6％≤Vf≤2.4％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为折线；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)Lf并取整；
(5)几何单元的有效高度Hn的取值范围为：
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k≤0.6；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1。
进一步的，所述三元螺旋型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.3％，则Lf＝0.8D；若1.3％≤Vf≤1.9％，则Lf＝0.9D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.3％，则d1＝d2＝900μm；若1.3％≤Vf≤1.9％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为空间圆弧；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)Lf并取整；
(5)几何单元在法平面投影的圆弧弧度θ范围为：0<θ<π，其中法平面是指与三维纤维中心轴正交的平面；
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k≤0.5；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1。
进一步的，所述金属粉末和三维金属纤维质量的检测方法如下：
(1)金属粉末质量检测方法：
1)取样：每500kg金属粉末取1组，每组不少于3个样本；
2)化学成分：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法检测，3个样本的测试结果均要满足权利要求1中给出的金属粉末化学成分；
3)粒径：采用电子扫描显微镜检测，样本的测试结果不得超过权利要求1中给出的粒径范围的10％，否则视为不合格，3个样本全部合格，则本批粉末粒径检测合格；
(2)三维金属纤维质量检测方法：
1)取样：每50t作为1个批次进行质量检测，包括1组外观检测、4组力学性能检测，每组不少于3个样本；
2)外观检测：要求纤维表面光滑、直径沿长度方向均匀无显著变化；直径检测包括主干、分肢和结点；主干及分肢取两端和中点不少于3处进行检测，结点直径取不少于3个方向进行检测；若3个测值中有2个测值与目标值的差值在目标值的10％以内，则合格；长度检测包括主干和分肢；若测值与目标值的差值在设计值的5％以内，则合格；3个样本均合格，则合格；
3)力学性能检测：用于检测的纤维，其原始标距不小于100mm、平行长度为120mm；根据打印方向与纤维轴线方向的关系，按照平行、垂直和夹角45°进行打印制作共3组试件，每组至少取3个样本，其测量结果不低于目标值；用于检测的带结点纤维，按照打印方向与纤维轴线方向一致的方式进行制作，样本数不少于3个，拉伸试验中结点不发生断裂，且抗拉强度测量结果不低于目标值。
一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料的制备方法，所述三维金属纤维与水泥基材料拌和方式包括一次拌和和两次拌和；
所述一次拌和：首先将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；然后开动搅拌机，将干料按照砂、三维金属纤维、水泥的投料顺序缓慢投入搅拌机，待干料混合均匀后，将混合液加入并搅拌6min即得到拌合物；
所述两次拌和：将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；开动搅拌机，首先将干料按照砂、50％三维金属纤维、水泥的投料顺序缓缓投入搅拌机，待干料混合均匀后，约将70％混合液加入，再搅拌3min；然后，将剩余三维金属纤维和混合液投入搅拌机，搅拌4min后即得到拌合物；
对于一元类型纤维，其体积含量Vf≤2.0％时，采用一次拌和方式；若Vf>2.0％，采用两次拌和；对于二元类型纤维，其体积含量Vf≤1.6％时，采用一次拌和方式；若Vf>1.6％，采用两次拌和；对于三元类型纤维，其体积含量Vf≤1.3％时，采用一次拌和方式；若Vf>1.3％，采用两次拌和方式。
进一步的，所述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Vf<1.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足155-165mm时，满足材料可打印性的要求；
(2)若1.0％≤Vf<2.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足160-170mm时，满足材料可打印性的要求；
(3)若2.0％≤Vf≤3.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足165-175mm时，满足材料可打印性的要求。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)三维金属纤维较传统直线型、端钩型纤维具有更好的增韧阻裂能力，可以显著提高3D打印混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度，并明显改善3D打印混凝土各向异性、脆性大的缺点。
2)可以根据喷嘴尺寸设计三维金属纤维的尺寸，并提出了纤维外观及力学性能质量的检测标准。根据基体水灰比，可掺入相应含量的纤维，通过调整外加剂的掺量满足混凝土的可打印性能。最后，根据纤维种类和含量确定拌合物的拌和方式，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。
附图说明
图1为本发明实施例中一元直线型三维金属纤维的结构示意图；
图2为本发明一元直线型三维金属纤维的结构示意图；
图3为本发明二元折线型三维金属纤维的结构示意图；
图4为本发明二元波浪型三维金属纤维的结构示意图；
图5为本发明三元螺旋型三维金属纤维的结构示意图；
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。
一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥100份；砂100份；减水剂0.47份；增稠剂0.2份；消泡剂0.2份；水26份；金属纤维的掺量为0.7％；3D打印机喷嘴直径为20mm；
所述水泥优选采用P.O.42.5R型号的普通硅酸盐水泥，可使基体具有良好的力学性能；
所述砂优选采用中国ISO标准砂，最大粒径为2mm；
所述减水剂优选采用减水率大于30％的粉末状保坍型聚羧酸减水剂；
所述增稠剂优选采用20万粘度的羟丙基甲基纤维素醚；
所述消泡剂优选采用水泥砂浆专用粉状消泡剂，成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑，PH值为7–8；
本实施例中的三维金属纤维利用增材制造技术制备：基于分层制造原理，将三维模型层层切片，并使用激光作为热源，根据切片信息将预先铺在成形面上的金属粉末的融化，然后工作平面下降，铺粉装置铺设新一层金属粉末，如此层层堆积直至成形；
制备三维金属纤维所用金属粉末的组成元素及其含量为：0.043％碳、0.1％氮、0.06％氧、0.4％硅、0.03％磷、0.02％硫、16.51％铬、0.74％锰、73.323％铁、3.9％镍、3.62％铜、0.21％铌、0.3％钼；所用粉末粒径为15μm～20μm；具体打印参数为：激光功率为200W、光斑尺寸为100μm、扫描速度为650mm/s、分层厚度为20μm、扫描间距为80μm；力学性能为：屈服强度为1012MPa、抗拉强度为1210MPa、伸长率为19；为保证主干具有更好的抗拉强度和伸长率，打印路径与纤维的长度方向平行。
如图1所示，本实施例中三维金属纤维为一元直线型三维金属纤维，包括纤维主干1、纤维分肢2和结点3；所述纤维分肢2通过结点3与纤维主干1连接；
所述纤维主干1有效长度Lf＝0.9D＝18mm；
所述纤维主干1直径d1＝900μm；
所述纤维分肢2长度lf＝0.3Lf＝5.4mm；
所述纤维分肢2直径d2＝900μm；
所述纤维分肢2与纤维主干1的夹角α＝90°；
所述纤维分肢2之间的夹角β＝120°；
所述结点间距d取值范围为：d＝9～11.7mm；
所述结点3半径R＝0.8mm；
上述适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料拌合物的搅拌方式采用一次拌和方式，包括如下步骤：
步骤1：将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；
步骤2：将干料按照砂、纤维、水泥的投料顺序缓慢投入搅拌机，待干料混合均匀；
步骤3：将步骤1所得混合液加入并搅拌6min即得到拌合物。
Claims (4)
1.一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥100份；砂100份；减水剂0.47份；增稠剂0.2份；消泡剂0.2份；水26份；三维金属纤维；所述三维金属纤维的掺量为0.7～3％；其特征在于，
所述三维金属纤维包括主干、结点和分肢；
所述主干的几何形态为二元或三元类型，二元类型为波浪型或折线型，三元类型为螺旋型；所述波浪型、折线型和螺旋型主干分别由圆弧、折线和空间圆弧形式的几何单元组成；主干的有效长度Lf的取值范围为16～35mm；
所述结点均匀分布在主干上；结点的几何形态为球体，其中心与主干、分肢轴线的交点重合；
所述分肢通过结点与主干相连接，分肢与主干的夹角α范围为60°～90°；同结点处的相邻分肢之间的夹角β范围为45°～120°；
所述二元波浪型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.6％，则Lf＝0.9D；若1.6％≤Vf≤2.4％，则Lf＝0.8D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.6％，则d1＝d2＝900μm；若1.6％≤Vf≤2.4％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为圆弧；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.3～0.35)Lf并取整；
(5)几何单元的弧度θ范围为：0<θ<π；
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k＝0.6；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1；
所述二元折线型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.6％，则Lf＝0.9D；若1.6％≤Vf≤2.4％，则Lf＝0.8D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.6％，则d1＝d2＝900μm；若1.6％≤Vf≤2.4％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为折线；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)Lf并取整；
(5)几何单元的有效高度Hn的取值范围为：
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k＝0.6；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1；
所述三元螺旋型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：
(1)主干有效长度Lf应满足以下条件：若Vf<1.3％，则Lf＝0.8D；若1.3％≤Vf≤1.9％，则Lf＝0.9D；
(2)主干直径d1和分肢直径d2应满足以下条件：若Vf<1.3％，则d1＝d2＝900μm；若1.3％≤Vf≤1.9％，则d1＝d2＝700μm；
(3)几何单元的形态为空间圆弧；
(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)Lf并取整；
(5)几何单元在法平面投影的圆弧弧度θ范围为：0<θ<π，其中法平面是指与三维纤维中心轴正交的平面；
(6)分肢长度lf应满足下式：
其中k为分肢长度控制系数，k＝0.5；
(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d1≤R≤d1；
其中，Vf为三维金属纤维的体积含量；D为打印喷嘴直径；
所述三维金属纤维利用选区激光熔融增材制造技术制备：基于分层制造原理，将三维模型层层切片，并使用激光作为热源，根据切片信息将预先铺在成形面上的金属粉末融化，然后工作平面下降，铺粉装置铺设新一层金属粉末，如此层层堆积直至成形；
所采用金属粉末的组成元素及其含量为：0.034％～0.07％碳、0.12％氮、0.056％～0.1％氧、0.1％～0.69％硅、0.022％～0.033％磷、0.002％～0.03％硫、16％～16.75％铬、0.224％～1％锰、72.237％～76.849％铁、3.64％～4.19％镍、2.66％～4.02％铜、0.2％～0.26％铌、0.093％～0.5％钼；
所采用金属粉末粒径为15～20μm，霍尔流速为40～50s/50g；
其中，激光功率为200W、光斑尺寸为100μm、扫描速度为650mm/s、分层厚度为15～20μm、扫描间距为80μm，打印成形后在788℃条件下热处理1～1.5小时；所述三维金属纤维的打印路径与纤维的长度方向平行。
2.根据权利要求1所述一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，其特征在于：所述三维金属纤维的体积含量Vf根据基体水灰比w/c确定：
(1)当w/c<0.26时，若为二元类型，则Vf≤0.8％；若为三元类型，则Vf≤0.7％；
(2)当0.26≤w/c<0.3时，若为二元类型，则Vf≤1.6％；若为三元类型，则Vf≤1.3％；
(3)当0.3≤w/c≤0.4时，若为二元类型，则Vf≤2.4％；若为三元类型，则Vf≤1.9％。
3.一种如权利要求1所述的适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料的质量的检测方法，其特征在于：所述金属粉末和三维金属纤维质量的检测方法如下：
(1)金属粉末质量检测方法：
1)取样：每500kg金属粉末取1组，每组不少于3个样本；
2)化学成分：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法检测，3个样本的测试结果均要满足权利要求1中给出的金属粉末化学成分；
3)粒径：采用电子扫描显微镜检测，样本的测试结果不得超过权利要求1中给出的粒径范围的10％，否则视为不合格，3个样本全部合格，则本批粉末粒径检测合格；
(2)三维金属纤维质量检测方法：
1)取样：每50t作为1个批次进行质量检测，包括1组外观检测、4组力学性能检测，每组不少于3个样本；
2)外观检测：要求纤维表面光滑、直径沿长度方向均匀无显著变化；直径检测包括主干、分肢和结点；主干及分肢取两端和中点不少于3处进行检测，结点直径取不少于3个方向进行检测；若3个测值中有2个测值与目标值的差值在目标值的10％以内，则合格；长度检测包括主干和分肢；若测值与目标值的差值在设计值的5％以内，则合格；3个样本均合格，则合格；
3)力学性能检测：用于检测的纤维，其原始标距不小于100mm、平行长度为120mm；根据打印方向与纤维轴线方向的关系，按照平行、垂直和夹角45°进行打印制作共3组试件，每组至少取3个样本，其测量结果不低于目标值；用于检测的带结点纤维，按照打印方向与纤维轴线方向一致的方式进行制作，样本数不少于3个，拉伸试验中结点不发生断裂，且抗拉强度测量结果不低于目标值。
4.根据权利要求1～2任一所述一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：三维金属纤维与水泥基材料拌和方式包括一次拌和和两次拌和；
所述一次拌和：首先将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；然后开动搅拌机，将干料按照砂、三维金属纤维、水泥的投料顺序缓慢投入搅拌机，待干料混合均匀后，将混合液加入并搅拌6min即得到拌合物；
所述两次拌和：将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；开动搅拌机，首先将干料按照砂、50％三维金属纤维、水泥的投料顺序缓缓投入搅拌机，待干料混合均匀后，将70％混合液加入，再搅拌3min；然后，将剩余三维金属纤维和混合液投入搅拌机，搅拌4min后即得到拌合物；
对于二元类型纤维，其体积含量Vf≤1.6％时，采用一次拌和方式；若Vf>1.6％，采用两次拌和；对于三元类型纤维，其体积含量Vf≤1.3％时，采用一次拌和方式；若Vf>1.3％，采用两次拌和方式。
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