CN113929429B - 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113929429B
CN113929429B CN202111409282.7A CN202111409282A CN113929429B CN 113929429 B CN113929429 B CN 113929429B CN 202111409282 A CN202111409282 A CN 202111409282A CN 113929429 B CN113929429 B CN 113929429B
Authority
CN
China
Prior art keywords
printing
composite material
magnesium phosphate
based composite
phosphate cement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111409282.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113929429A (zh
Inventor
刘雄飞
李冀湘
蔡华崇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Original Assignee
Hebei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Technology filed Critical Hebei University of Technology
Priority to CN202111409282.7A priority Critical patent/CN113929429B/zh
Publication of CN113929429A publication Critical patent/CN113929429A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113929429B publication Critical patent/CN113929429B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/34—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing cold phosphate binders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/10—Clay
    • C04B14/106—Kaolin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B18/00—Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B18/04—Waste materials; Refuse
    • C04B18/06—Combustion residues, e.g. purification products of smoke, fumes or exhaust gases
    • C04B18/08—Flue dust, i.e. fly ash
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00146—Sprayable or pumpable mixtures
    • C04B2111/00155—Sprayable, i.e. concrete-like, materials able to be shaped by spraying instead of by casting, e.g. gunite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00482—Coating or impregnation materials
    • C04B2111/00508—Cement paints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/72—Repairing or restoring existing buildings or building materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/30—Adapting or protecting infrastructure or their operation in transportation, e.g. on roads, waterways or railways
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

本发明公开了一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法。本发明将高韧性纤维、磷酸镁水泥基复合材料和喷射3D打印技术有机结合，制备得到极端环境下快速修复加固用的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，材料可靠性强，施工灵活性强、效率高，精确度高，在民用和军用建筑结构防护领域具有重要理论价值与实践意义。制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，具有高延性、快硬早强、高强高韧、高粘结、高流动和常温无模养护的特点，拥有广泛的应用前景。

Description

喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料制备领域，具体为一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
高原、寒冷、炎热等极端环境极大降低了建筑施工效率、质量和安全性，研究适用于极端环境下快速提升结构承载力、耗能和耐久性等防护工程的新材料与新方法具有重大意义。
喷射3D打印是一种使用机电一体化的新型增材制造技术，可在极端环境下采用无人智能建造方式涂覆高性能防护材料来快速提升建筑结构安全性。但喷射3D打印也存在缺点，喷射砂浆脆性大，早期强度较低是亟待解决的问题。工程用水泥基增强复合材料(Engineered Cementitious Composite，简称ECC)是一种高延展性、高韧性和严格的裂缝宽度的特种防护材料，其极限延伸率高达1％～7％，将其涂覆于建筑表层能够快速提升结构抗震、抗冲击、抗爆和耐久性等性能。
传统ECC的低流动、高粘度和特定温湿度养护等性能与喷射3D打印过程对材料高流动、快硬早强、高粘结和无模养护等要求存在诸多矛盾。磷酸镁水泥(MPC)具有快硬早强、粘结强度高、体积稳定性好和常温无模养护等特性，完全符合3D打印对材料早期工作与力学性能要求，有效克服传统ECC特定温湿度养护和粘结性差以及3D打印层间界面弱化和无模养护需求等问题。因此，将MPC与喷射3D打印技术结合是解决上述问题的有效途径。文献《刘雄飞,李琦,王里,王楠,喷射3D打印磷酸镁水泥与混凝土界面粘结性能研究,硅酸盐通报[J].40(06)(2021):1895-1904.》中已经研发出可喷射3D打印磷酸镁水泥基材料，并通过调节矿物组分掺量能实现喷射3D打印性能的可控调节，但是磷酸镁水泥基材料本身脆性过大的问题依然存在，无论是与混凝土基体的粘结强度、修复加固能力，还是本身韧性性能都亟待提升。
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，提供一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将重烧氧化镁、粉煤灰和偏高岭土混合均匀，得到粉体；再在搅拌的同时将纤维加入到粉体中；纤维全部加入完成后，继续搅拌至纤维均匀分散、无成团现象，得到干混合料；
将水和减水剂混合均匀，然后加入磷酸盐和硼砂并混合均匀，形成水溶液；
(2)在低速搅拌的同时将水溶液加入到干混合料中，使水溶液和干混合料在不飞溅的前提下混合均匀，形成粘稠胶凝状；水溶液全部加入完成后高速搅拌，使得混合更均匀，得到高延高韧磷酸镁水泥基复合材料；
(3)将步骤(2)制得的高延高韧磷酸镁水泥基复合材料加入到喷射3D打印设备中，设置喷射3D打印参数，完成喷射3D打印，得到喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料。
本发明解决所述复合材料技术问题的技术方案是，提供一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法制备得到的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料的凝结时间为20～40min，1h龄期的极限拉伸应变为1.5～4％，1d龄期的极限拉伸应变为1.5～5％，1h龄期的四点挠曲变形为2～4mm，1h龄期的四点挠曲变形为3-6mm，稳态多缝开裂破坏；与混凝土界面粘结强度≥3MPa。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明将高韧性纤维、磷酸镁水泥基复合材料和喷射3D打印技术有机结合，制备得到极端环境下快速修复加固用的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，材料可靠性强，施工灵活性强、效率高，精确度高，在民用和军用建筑结构防护领域具有重要理论价值与实践意义。
(2)本发明将抗拉强度和拉伸性能优良的高韧性纤维加入到磷酸镁水泥中，利用纤维在水泥基材料中产生的桥联聚合作用，提高磷酸镁水泥的抗拉抗折强度和变形能力，显著增强水泥基材料的韧性抗开裂能力，抑制大裂缝的开展，促进多裂缝的形成。
(3)本发明将磷酸镁水泥与工艺无模化、智能化、灵活化与精确化的喷射3D打印快速成型技术结合，有效解决了喷射3D打印对材料早期性能的要求。逐层打印、层厚可控和复合材料高粘结结合，可有效解决喷射混凝土中材料高回弹的问题。高延性、快硬早强、高粘结和喷射3D打印高速喷射打印特性可快速提升结构承载力与耗能，有效解决3D打印的打印层间界面弱化及其与混凝土界面粘结性差的问题。且喷射3D打印能够实现水平面、垂直面、顶面多角度灵活快速施工，角度更灵活，施工范围更大。
(4)本发明通过加入偏高岭土和粉煤灰对磷酸镁水泥进行改性。偏高岭土中含有丰富的Al3+，通过Al3+在磷酸镁水泥水化过程中发生离子交换条件，可以调整磷酸镁水泥的凝结硬化时间。由于粉煤灰表面球状形态很大程度上提升了砂浆的流动性，降低动态屈服应力和塑性粘度，可实现良好的泵送性。二者协同工作可以提高材料的流变性能、可建造性和可泵送性，来调节其可喷射3D打印性，使之适用于喷射3D打印，适合用于建筑结构表层涂覆和修补，克服了传统磷酸镁水泥凝结时间较短、难以适用喷射3D打印技术的问题。
(5)本发明在喷射3D打印设备中增设了喷嘴振动装置，利于高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的稳定喷出，不堵塞在喷嘴处。
(6)本发明制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，具有高延性、快硬早强、高强高韧、高粘结、高流动和常温无模养护的特点，拥有广泛的应用前景。常温无模养护特点解决3D打印水泥基材料大面积暴露引起高收缩开裂问题。
附图说明
图1为本发明的喷射3D打印设备的工作原理图；
图2为本发明图1的局部放大示意图；
图3为本发明图2的A-A方向剖视图；
图4为本发明实施例3制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的断裂面放大300倍的电镜图；
图5为本发明实施例3制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的断裂面放大500倍的电镜图；
图6为本发明实施例3制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的断裂面放大1000倍的电镜图。
图中，喷嘴振动装置1、机械臂2、喷枪3、喷嘴4、输料管5、进气管6；振动棒11、固定支架12；
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。
本发明提供了一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将重烧氧化镁、粉煤灰和偏高岭土混合均匀，得到粉体；再将纤维分若干次加入到粉体中，加入纤维的过程中持续匀速搅拌，每次纤维的加入量需保证搅拌过程中纤维无逸散现象；纤维全部加入完成后，继续搅拌1～2min至纤维均匀分散、无成团现象，得到干混合料；
将水和减水剂混合并搅拌混合均匀，然后同时加入磷酸盐和硼砂并搅拌混合均匀，形成水溶液；
优选地，步骤(1)中，纤维的质量是粉体质量的1％～2.5％，掺加方式为单掺或混掺；水与粉体的质量比为0.35～0.4:1(优选0.4:1)；减水剂的质量为水的质量的1～3％；重烧氧化镁:磷酸盐:粉煤灰:偏高岭土:硼砂＝40:30:7:14:2。
优选地，步骤(1)中，所述纤维为PVA纤维、PE纤维、PP纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维中的至少一种；纤维的长度为2～6mm，直径为10～30μm，抗拉强度为1500～2400MPa，断裂伸长率为8％～12％。
优选地，步骤(1)中，减水剂采用聚羧酸减水剂；磷酸盐采用磷酸二氢钾。
(2)将水溶液分若干次加入到干混合料中，加入的过程中持续低速搅拌，形成粘稠胶凝状，并在2～3min内完成加入过程，每次加入的水溶液需保证搅拌桶或搅拌槽内已有的水溶液和干混合料不会飞溅；水溶液全部加入完成后，高速搅拌2～4min(优选地3min)，得到高延高韧磷酸镁水泥基复合材料；
优选地，步骤(2)中，在低速搅拌的同时将水溶液分两次加入到干混合料中；第一次加入水溶液总质量的1/4的水溶液，低速搅拌2～30s，使得水溶液和干混合料初步混合，呈现部分胶凝状态；第二次加入水溶液总质量的3/4的水溶液，低速搅拌60～90s，使得水溶液和干混合料完全混合，呈现整体粘稠胶凝状态；低速搅拌的总时长优选2min。
低速搅拌的速度是：自转140±5r/min，公转62±5r/min；自转即搅拌机的桨叶绕自身转轴转动，公转即桨叶转轴沿搅拌机的搅拌桶或搅拌槽的转动；高速搅拌的速度是：自转285±10r/min，公转125±10r/min；
优选地，步骤(2)中，将水溶液加入到干混合料中，这样操作的好处是：水溶液不会附着在搅拌桶或搅拌槽中，进而造成误差。
优选地，步骤(2)中，先低速搅拌后搅拌的目的是：低速搅拌可以使水溶液和干混合料在不溢出飞溅的前提下良好混合，高速搅拌可以使得混合更均匀。
优选地，步骤(2)制得的高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的特征是：凝结时间为25～50min；静态屈服应力为800～2400Pa，动态屈服应力为400～1000Pa，塑性粘度为0～25Pa·s；流动度为160～200mm；极限拉伸应变为1～3％(1h龄期)和1.5～5％(1d龄期)，四点挠曲变形为1～3mm(1h龄期)和1～4mm(1h龄期)，稳态多缝开裂破坏；界面粘结强度≥3MPa(1h/1d龄期，基体内聚破坏)。
(3)将步骤(2)制得的高延高韧磷酸镁水泥基复合材料加入到喷射3D打印设备中，设置喷射3D打印参数，在15min内完成喷射3D打印，得到喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料。
优选地，步骤(3)中，喷射3D打印设备包括喷嘴振动装置1、机械臂2、喷枪3、喷嘴4、输料管5和进气管6；机械臂2的末端设置有喷枪3；喷枪3的末端设置有喷嘴4；输料管5和进气管6均与喷枪3连通，输料管5用于输送高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，进气管6用于送气；喷嘴振动装置1设置于喷枪3的内部，位于距离喷嘴4处90～100mm，利于高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的喷出，不堵塞在喷嘴4处。
优选地，步骤(3)中，所述喷嘴振动装置1包括振动棒11和固定支架12；所述固定支架12固定于喷枪3的内部；振动棒11通过固定支架12设置于喷枪3的中轴线上；振动棒11的长度为10mm，其两端分别距离喷嘴4处90mm和100mm，在这个距离条件下，高延高韧磷酸镁水泥基复合材料能连续流畅喷出。
优选地，振动棒11的直径小于喷枪3的直径的1/10。振动棒11的振动频率为6～16Hz。固定支架12采用弹性件。
优选地，步骤(3)中，喷射3D打印参数是：喷压为0.1～0.9MPa；喷距(即喷嘴4与受喷面的距离)为20～200mm；喷嘴4的直径为4～20mm；喷射角度(即打印方向与受喷面之间的夹角)为30～90°；喷嘴4的移动速度为100～250mm/s；打印层厚度为3～9mm；层间打印间隔时间为0.5～3min。
优选地，步骤(3)制得的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料(简称复合材料)的特征是：凝结时间为20～40min，1h龄期的极限拉伸应变为1.5～4％，1d龄期的极限拉伸应变为1.5～5％，1h龄期的四点挠曲变形为2～4mm，1h龄期的四点挠曲变形为3-6mm，稳态多缝开裂破坏；与混凝土界面粘结强度≥3MPa(1h/1d龄期，基体内聚破坏)。步骤(3)制得的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料相较于步骤(2)制得的高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，由于喷嘴4处水分雾化作用，凝结更快，同时风压挤密作用，喷涂材料致密完整性更好，因此，强度也有显著提升。
对比例1
步骤(1)的粉体中不加入纤维，纤维的质量是粉体质量的0％；重烧氧化镁:磷酸盐:粉煤灰:偏高岭土:硼砂＝40:30:7:14:2；水与粉体的质量比为0.4:1；磷酸盐采用工业级磷酸二氢钾。减水剂采用聚羧酸减水剂，质量为水的质量的1％。
步骤(3)中，喷射3D打印参数是：喷压为0.5MPa；喷距为40mm；喷嘴4的直径为4mm；喷射角度为90°；喷嘴4的移动速度为150mm/s；打印层厚度为7mm；层间打印间隔时间为1min。
实施例1-4
实施例1-4与对比例1完全相同，区别在于：实施例1的纤维的质量是粉体质量的1％，减水剂的质量为水的质量的1.5％。实施例2的纤维的质量是粉体质量的1.5％，减水剂的质量为水的质量的2％。实施例3的纤维的质量是粉体质量的2％，减水剂的质量为水的质量的2.5％。实施例4的纤维的质量是粉体质量的2.5％，减水剂的质量为水的质量的3％。
实施例1-4中，选用的纤维为PVA纤维；纤维的长度为6mm，直径为16μm，抗拉强度为1800MPa，断裂伸长率为8％。喷嘴直径4mm＜纤维长度6mm。
性能测试：
通过直接拉伸实验、四点弯曲实验以及粘结强度实验，分别测试对比例1和实施例1-4得到的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的拉伸应变能力、四点弯曲变形能力以及粘结能力，每个实验均采用三个试样。测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003373628350000051
由表1可以看出，喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，其挠度值和应变值均显著提升；且随着纤维含量的增加，变形能力越好，实施例制备的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料与混凝土的粘结强度均≥3.0MPa，达到工程的要求，是一种简易、高效、智能的快速修补加固技术，可以推广使用。
由图4-6可以看出，由于喷嘴4的牵引以及喷嘴4对纤维的约束聚拢作用(喷嘴4的直径小于纤维的直径)，导致纤维实现定向分布，且分布方向与打印方向一致。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将重烧氧化镁、粉煤灰和偏高岭土混合均匀，得到粉体；再在搅拌的同时将纤维加入到粉体中；纤维全部加入完成后，继续搅拌至纤维均匀分散、无成团现象，得到干混合料；
将水和减水剂混合均匀，然后加入磷酸盐和硼砂并混合均匀，形成水溶液；
纤维的质量是粉体质量的1%～2.5%；水与粉体的质量比为0.35～0.4:1；减水剂的质量为水的质量的1～3%；重烧氧化镁:磷酸盐:粉煤灰:偏高岭土:硼砂=40:30:7:14:2；
（2）在低速搅拌的同时将水溶液加入到干混合料中，使水溶液和干混合料在不飞溅的前提下混合均匀，形成粘稠胶凝状；水溶液全部加入完成后高速搅拌，使得混合更均匀，得到高延高韧磷酸镁水泥基复合材料；
（3）将步骤（2）制得的高延高韧磷酸镁水泥基复合材料加入到喷射3D打印设备中，设置喷射3D打印参数，完成喷射3D打印，得到喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料；
喷射3D打印参数是：喷压为0.1～0.9MPa；喷距为20～200mm；喷嘴的直径为4～20mm；喷射角度为30～90°；喷嘴的移动速度为100～250mm/s；打印层厚度为3～9mm；层间打印间隔时间为0.5～3min。
2.根据权利要求1所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，在搅拌的同时将纤维分若干次加入到粉体中，每次纤维的加入量需保证搅拌过程中纤维无逸散现象。
3.根据权利要求1所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纤维为PVA纤维、PE纤维、PP纤维、碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维中的至少一种；纤维的长度为2～6mm，直径为10～30μm，抗拉强度为1500～2400MPa，断裂伸长率为8%～12%。
4.根据权利要求1所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，在低速搅拌的同时将水溶液分若干次加入到干混合料中，并在2～3min内完成加入过程，形成粘稠胶凝状；每次加入的水溶液需保证搅拌桶或搅拌槽内已有的水溶液和干混合料不会飞溅。
5.根据权利要求4所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，在低速搅拌的同时将水溶液分两次加入到干混合料中；第一次加入水溶液总质量的1/4，低速搅拌2～30s，使得水溶液和干混合料初步混合，呈现部分胶凝状态；第二次加入水溶液总质量的3/4，低速搅拌60～90s，使得水溶液和干混合料完全混合，呈现整体粘稠胶凝状态。
6.根据权利要求1所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，喷射3D打印设备包括喷嘴振动装置、机械臂、喷枪、喷嘴、输料管和进气管；机械臂的末端设置有喷枪；喷枪的末端设置有喷嘴；输料管和进气管均与喷枪连通，输料管用于输送高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，进气管用于送气；喷嘴振动装置设置于喷枪的内部，利于高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的喷出。
7.根据权利要求6所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述喷嘴振动装置包括振动棒和固定支架；所述固定支架固定于喷枪的内部；振动棒通过固定支架设置于喷枪的中轴线上；振动棒的长度为10mm，其两端分别距离喷嘴90mm和100mm；振动棒的直径小于喷枪的直径的1/10；振动棒的振动频率为6～16Hz；固定支架采用弹性件。
8.一种权利要求1-7任一所述的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料的制备方法制备得到的喷射3D打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料的凝结时间为20～40min，1h龄期的极限拉伸应变为1.5～4%，1d龄期的极限拉伸应变为1.5～5%，1h龄期的四点挠曲变形为2～4mm，1d龄期的四点挠曲变形为3-6mm，稳态多缝开裂破坏；与混凝土界面粘结强度≥3MPa。
CN202111409282.7A 2021-11-25 2021-11-25 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法 Active CN113929429B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111409282.7A CN113929429B (zh) 2021-11-25 2021-11-25 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111409282.7A CN113929429B (zh) 2021-11-25 2021-11-25 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113929429A CN113929429A (zh) 2022-01-14
CN113929429B true CN113929429B (zh) 2022-11-22

Family

ID=79288228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111409282.7A Active CN113929429B (zh) 2021-11-25 2021-11-25 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113929429B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114622148B (zh) * 2022-02-26 2023-08-01 共享智能装备有限公司 用于微喷射粘结法的金属粉末的打印方法
CN114563345B (zh) * 2022-03-31 2024-05-31 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 一种水泥基3d打印试件层间粘结强度测试装置和测试方法
CN117383903B (zh) * 2023-12-12 2024-02-02 内蒙古工业大学 一种高固废掺量的高韧早强修复材料及制备方法与应用

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103895223A (zh) * 2014-03-06 2014-07-02 珠海天威飞马打印耗材有限公司 打印头及三维打印机
CN106703412A (zh) * 2015-07-13 2017-05-24 马义和 一种内含振动棒的建筑构件3d打印喷头
CN109279860A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 河北工业大学 3d打印电磁防护轻质高强磷酸盐水泥材料的制备方法
CN109789646A (zh) * 2016-11-04 2019-05-21 Cc3D有限公司 具有振动喷嘴的增材制造系统
CN110028299A (zh) * 2019-03-11 2019-07-19 济南大学 一种3d打印白色水泥基材料及其使用方法和应用
CN110395967A (zh) * 2019-07-18 2019-11-01 河北工业大学 喷射3d打印功能梯度电磁防护材料及其制备方法
CN112828315A (zh) * 2020-12-21 2021-05-25 安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司 一种3d打印激光熔覆的均匀送料装置
CN112847734A (zh) * 2021-03-04 2021-05-28 山东建筑大学 一种混凝土3d打印喷头装置
CN113501703A (zh) * 2021-05-26 2021-10-15 深圳大学 一种3d打印磷酸镁水泥混凝土制品及其养护方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103895223A (zh) * 2014-03-06 2014-07-02 珠海天威飞马打印耗材有限公司 打印头及三维打印机
CN106703412A (zh) * 2015-07-13 2017-05-24 马义和 一种内含振动棒的建筑构件3d打印喷头
CN109789646A (zh) * 2016-11-04 2019-05-21 Cc3D有限公司 具有振动喷嘴的增材制造系统
CN109279860A (zh) * 2018-11-19 2019-01-29 河北工业大学 3d打印电磁防护轻质高强磷酸盐水泥材料的制备方法
CN110028299A (zh) * 2019-03-11 2019-07-19 济南大学 一种3d打印白色水泥基材料及其使用方法和应用
CN110395967A (zh) * 2019-07-18 2019-11-01 河北工业大学 喷射3d打印功能梯度电磁防护材料及其制备方法
CN112828315A (zh) * 2020-12-21 2021-05-25 安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司 一种3d打印激光熔覆的均匀送料装置
CN112847734A (zh) * 2021-03-04 2021-05-28 山东建筑大学 一种混凝土3d打印喷头装置
CN113501703A (zh) * 2021-05-26 2021-10-15 深圳大学 一种3d打印磷酸镁水泥混凝土制品及其养护方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘雄飞等.喷射3D打印磷酸镁水泥与混凝土.《硅酸盐通报》.2021,第40卷(第6期), *
喷射3D打印磷酸镁水泥与混凝土;刘雄飞等;《硅酸盐通报》;20210630;第40卷(第6期);1895-1904 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113929429A (zh) 2022-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113929429B (zh) 喷射3d打印高延高韧磷酸镁水泥基复合材料及其制备方法
CN104478371B (zh) 一种节能型混凝土裂缝修补剂
CN108069669B (zh) 一种利用废混凝土制备而成的玻璃纤维增强水泥材料
CN108129102B (zh) 可3d打印的pva-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法
CN101891431B (zh) 一种轻质节能抹灰砂浆及其施工方法
CN111548084A (zh) 一种喷射加固高延性混凝土及其制备方法
CN113968697B (zh) 一种可用于加气混凝土的干粉界面处理剂及其制备方法
CN110746142A (zh) 一种用于古旧砌体修复的纤维增强型灰浆及其制备方法
CN103161323A (zh) 混凝土结构梁柱节点的加固方法
CN114163201A (zh) 一种用于打印的3d混凝土材料
CN108911583A (zh) 一种高强度环氧树脂混凝土材料及其制备方法
CN109824326B (zh) 钢纤维改性pva纤维增强水泥基复合材料及其制备方法
CN116462466A (zh) 一种风电混凝土塔筒用高强抗裂自密实混凝土及其应用
CN113735535B (zh) 一种早期高抗扰动桥梁拼接混凝土
CN114349432B (zh) 一种混杂纤维增强自密实高强混凝土及其制备方法
CN115677300A (zh) 一种高强度环保混凝土及其制备方法
CN109678434A (zh) 一种高柔性混凝土支护加固材料及其制备方法
CN111978024B (zh) 一种粉末粘结3d打印类软岩碱激发材料及应用方法
Liu et al. Research Status and Development Prospect of 3D Printing Concrete Materials
CN117303810B (zh) 纤维增强再生砂耐高温地聚物及其制备方法
CN115488996B (zh) 一种改性木屑增强水泥基复合材料的制备方法
CN112062537A (zh) 一种快凝抗冲击新型复合薄板及其制备方法
CN110698813A (zh) 一种海洋隔水管浮力块无损修复方法
CN115583822B (zh) 一种用于河道的轻质防水混凝土砌块及其制备方法
CN116477898B (zh) 一种适用于岩溶区充填溶、土洞的注浆材料及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant