CN114163201A

CN114163201A - 一种用于打印的3d混凝土材料

Info

Publication number: CN114163201A
Application number: CN202111268243.XA
Authority: CN
Inventors: 王香港; 张亚梅; 李进; 贾鲁涛
Original assignee: Nanjing Green Additives Intelligent Manufacturing Research Institute Co ltd
Current assignee: Nanjing Green Additives Intelligent Manufacturing Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本发明公开一种用于打印的3D混凝土材料，按照重量百分比计，该混凝土材料的组分为：硅酸盐水泥20~30%、硫铝酸盐水泥12~16%、复配纤维6~8%、矿物掺和料10~20%、复配细骨料20~40%、减水剂0.5~1%、速凝剂0~1%、纤维素醚1~2%、水10~12%。本申请公开的3D打印混凝土材料调整了胶凝材料配方，以硅酸盐水泥和具有早强特性的硫铝酸盐水泥共同作为胶凝材料，可调整混凝土早期的水化速度和早期强度，起到速凝的效果；本申请利用再生细骨料部分替代天然河砂等传统细骨料，有利于3D打印过程中材料的顺利泵送，且可实现废弃资源的重复利用；钢纤维和玄武岩纤维的共同使用，不仅可以降低投入成本，而且更加适应于各种环境下使用，可充分发挥纤维增强效果。

Description

一种用于打印的3D混凝土材料

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于打印的3D混凝土材料。

背景技术

混凝土作为当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，虽然只有不到 200年的历史，却已成为当今世界使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求，混凝土制造工艺需要不断地注入新鲜的血液。

3D 打印（3D-printing）作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。近年来，混凝土3D打印技术在土木建筑等领域也取得了快速的发展和应用。3D 建筑打印技术是“快速成型技术”（rapidprototy-ping，简称 RP）的一种，是以数字模型为基础，以胶凝材料、掺合料、添加剂、特种纤维、骨料为主制成的特殊“油墨”，运用计算机制图将建筑模型转化为三维设计图后，通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将建筑物打印建造出来的技术。与传统的模筑工艺不同，该技术在建造过程中无需脚手架和模板支撑，通过计算机自动控制混凝土材料自由堆积建造，具有无模化、灵活化和快速化的特点，混凝土3D打印技术可以打印出各种曲线异形结构，适合建造个性化定制结构。

不过需要注意的是，虽然混凝土3D打印技术展现出了明显的建造优势，但该技术仍处于起步阶段，依旧存在许多问题，制约了其进一步发展。例如3D打印采用无模建造工艺，该技术对混凝土材料的流变性提出了一定要求，层层堆积的建造过程会使结构出现层间薄弱面及各向异性；打印过程难以置入钢筋，难以保证结构的安全性，混凝土材料能否保持连续、均匀的可挤出性，保持足够的层间黏结性以及拥有足够的强度去支撑后打印层的可塑造性，是实现混凝土3D 打印的关键。

中国专利CN 112374825 A公开一种3D打印韧性混凝土材料及制备方法，，按照重量百分比计，该混凝土材料包含25～45％水泥、8～25％矿物掺合料、1 .5～5 .0％纤维、25～50％细集料、和0 .8～1 .5％超塑化剂，所述水泥的型号为普通硅酸水泥PO 42.5或PO52.5，所述纤维是钢纤维和聚丙烯纤维的复合。混凝土原料的组成简单且来源丰富，能够降低3D打印混凝土材料用量，降低生产成本；其间纤维的添加可能提高混凝土的抗渗性能，提高结构的整体性、延性和抗震耗能性；但是在实际建造时发现，以硅酸盐水泥作为主要凝胶材料存在水化速度过慢的问题，这会直接拖慢施工进度；且单掺纤维对层间黏结性能的影响较小，混凝土材料的界面性能较差，界面的粘结强度比较低，混凝土材料的整体性还有待提升；再者，该文件中所用细集料为二级配石英砂和金刚砂，成本较高，如能将再生材料运用到3D打印建造中，将有助于国家更高地实现资源优化、保护环境和自动化建造的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于打印的3D混凝土材料，调整了胶凝材料配方和细节用料，并对各物质的掺杂量进行合理调控，使得制成的混凝土材料具备优异的抗折、抗弯强度，且泵送性和建造性均表现较佳。

本发明的具体技术方案为：一种用于打印的3D混凝土材料，按照重量百分比计，该混凝土材料的组分如下：

硅酸盐水泥 20~30%

硫铝酸盐水泥 12~16%

复配纤维 6~8%

矿物掺和料 10~20%

复配细骨料 20~40%

减水剂 0.5~1%

速凝剂 0~1%

纤维素醚 1~2%

水 10~12%。

进一步地，所述硅酸盐水泥的强度等级不低于42.5级，硅酸盐水泥的比表面积为300~400 m²/kg。硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥。

进一步地，所述复配细骨料由以下组分组成：天然砂60~80%，再生细骨料18~25%；再生细骨料为建筑垃圾或废弃混凝土块经颚式破碎机破碎后，经过清理筛分得到的，再生细骨料和天然砂的粒径均小于4.2 mm，与细度模数相同的天然砂相比，在再生细骨料中，粒径小于0.5 mm的细颗粒占比会更多，这是因为再生混凝土的老砂浆、粗骨料在破坏后会产生微粉，细颗粒占比多会有利于材料的泵送，但是细颗粒过多又会增加用水量，影响浆体建造性；

经过前期试验研究发现，当材料的流动度/坍落度为12-14 cm时，材料的泵送性能表现良好，且建造性也较为优越，打印效果好，打印头出料均匀，材料的流动度明显小于12cm时，材料的泵送性能表现较差，随着打印层数的增加，整体高度离散型大，容易出现坍塌、滑落等现象，当材料的流动度明显大于14 cm时，泵送性虽很好，但是建造性不良，打印多层后，下层混凝土试条无法承受上部的混凝土试条的压力，表现出整体坍塌不成型的现象。

在已进行的物料流动度分析结果基础上再经过分段掺杂实验后发现，当天然砂含量占细骨料总体含量的60~80%，再生细骨料含量占细骨料总体含量的18~25%时，材料的流动度可保持在12-14cm的范围内，材料的泵送性、流动性和建造性都相对较好。

进一步地，混凝土材料中掺杂的纤维材料由以下组分组成：玄武岩纤维30~40%，钢纤维60~70%；钢纤维虽可有效抑制混凝土裂缝的形成、提高混凝土的抗拉和抗弯强度以及增加混凝土韧性，但是钢纤维的用量大、价格高是抑制其被广泛应用在混凝土制备中的主要因素。所以本申请中加入了一定量的玄武岩纤维，玄武岩纤维是一种新兴的无机纤维材料，具有高强度、高模量耐高温、绝热隔音、适应于各种环境下使用的优异性能，本申请中优选纤维掺杂量为30-40%，在该掺量条件下，混凝土的抗压强度和抗折强度均有明显的提升，因为当掺量低于30%时，不足以充分发挥纤维的增强作用，但是当掺量高于40%后，又会出现纤维成团分布不均的现象，反而不利于混凝土强度的提高。

优选地，所述钢纤维的长度为6～12 mm，直径为0.1～0.2 mm，所述玄武岩纤维的长度为5～10 mm，直径为0.05～0.08 mm。

优选地，所述混凝土材料计量拌合后进行3D打印形成多个混凝土组合材料，至少部分的所述多个混凝土组合材料之间通过粘胶材料粘结，所述粘胶材料的粘结方式选自喷涂方式或刷涂方式中的一种。

进一步地，所述粘胶材料为热熔性环氧树脂粘胶。所述热熔性环氧树脂粘胶作为建筑结构胶使用，具有较高的粘结强度，可显著提升胶凝材料界面间的粘结强度。

进一步地，所述热熔性环氧树脂粘胶选自环氧氯丙烷与双酚A的缩聚产物、环氧氯丙烷与多元醇的缩聚产物中的一种。

进一步地，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为20%~50%，减水率为10%-40%。

进一步地，所述矿物掺和料由以下组分组成：粉煤灰30~40%、矿渣粉0~12%和硅粉50~65%；所述粉煤灰为I级粉煤灰，所述矿渣粉不低于S95级，所述硅粉中二氧化硅≥88%。

上述3D打印的混凝土材料的制备方法如下

（1）按相应重量配比将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿物掺和料和复配细骨料混合，得到混合物料；

（2）按相应重量配比将减水剂、速凝剂、纤维素醚与水混合，得到混合溶液；

（3）将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，在一段时间内匀速加入混合溶液搅拌，最后将纤维材料均匀加入混合料中搅拌即得到所要的3D打印混凝土材料。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本申请公开的3D打印混凝土材料调整了胶凝材料配方，在以硅酸盐水泥作为基础胶凝材料的基础上，复配添加了一定比例的硫铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥具有早强的特性，初凝时间在6分钟左右，且早期强度较高，添加后可调整混凝土早期的水化速度和早期强度，起到速凝的效果；

2.本申请利用环氧树脂粘胶的强粘结性、高附着性、优异的力学性能和耐久性能，显著提升了不同组合材料间的界面粘结强度，相比于仅依靠纤维材料提升混凝土材料整体性的方案而言，适当的掺杂环氧树脂可有效提高层间黏结强度；

3.本申请利用再生细骨料替代天然河砂等传统细骨料，其间的细微颗粒较天然砂含量更多，有利于3D打印过程中材料的顺利泵送，且所述再生细骨料是利用废弃建筑材料制备而成，可实现资源的重复利用，有助于绿色环保工程的有序实现；

4.本申请在制备混凝土材料时添加了复配纤维，相较于单一掺量的钢纤维而言，高强度、高模量耐高温、绝热隔音的玄武岩纤维的添加不仅可以降低纤维材料投入成本，而且更加适应于各种环境下使用，可充分发挥纤维增强效果。

5.本申请通过优选细骨料性能参数、纤维种类和掺量，克服了现有的3D打印混凝土材料本身固有的结构缺陷，可整体提高混凝土材料的抗压、抗折强度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例一：

本实施例提供一种用于3D打印的混凝土材料，考虑以普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配作为胶凝材料，以钢纤维和玄武岩纤维共同作为掺杂纤维，以天然砂和再生细骨料共同作为掺杂细骨料进行混凝土材料的制备，具体的配方如下

硅酸盐水泥 20%

硫铝酸盐水泥 16%

玄武岩纤维 2.4%

钢纤维 3.6%

矿物掺和料 20%（粉煤灰6%、矿渣粉2%和硅粉12%）

天然砂 20%

再生细骨料 5%

减水剂 0.7%

速凝剂 0.3%

纤维素醚 1%

水 11%。

（1）按相应重量配比将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿物掺和料、天然砂和再生细骨料混合，得到混合物料；

（3）将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，在一段时间内匀速加入混合溶液搅拌，最后将钢纤维和玄武岩纤维均匀加入混合料中搅拌即得到所要的3D打印混凝土材料。

混凝土拌合物搅拌均匀后对其坍落度进行测试，测得其坍落度为14 cm，符合基本要求，可进行打印工作，打印得到的混凝土建筑层具备良好的外观，可连续打印29层。

实施例二：

本实施例提供一种用于3D打印的混凝土材料，考虑以普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配作为胶凝材料，以钢纤维和玄武岩纤维共同作为掺杂纤维，以天然砂和再生细骨料共同作为掺杂细骨料进行混凝土材料的制备，具体的配方如下：

硅酸盐水泥 25%

硫铝酸盐水泥 17%

玄武岩纤维 1.8%

钢纤维 4.2%

矿物掺和料 10%（粉煤灰4%、矿渣粉1%和硅粉5%）

天然砂 24%

再生细骨料 6%

减水剂 1%

纤维素醚 1%

水 10%。

混凝土拌合物搅拌均匀后对其坍落度进行测试，测得其坍落度为13 cm，符合基本要求，可进行打印工作，打印得到的混凝土建筑层具备良好的外观，可连续打印31层。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及实施例内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1. 一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，按照重量百分比计，该混凝土材料的组分如下：

硅酸盐水泥 20~30%

硫铝酸盐水泥 12~16%

复配纤维 6~8%

矿物掺和料 10~20%

复配细骨料 20~40%

减水剂 0.5~1%

速凝剂 0~1%

纤维素醚 1~2%

水 10~12%。

2. 如权利要求1所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述复配细骨料由以下组分组成：天然砂60~80%，再生细骨料18~25%；再生细骨料为建筑垃圾或废弃混凝土块经颚式破碎机破碎后，经过清理筛分得到的，再生细骨料和天然砂的粒径均小于4.2 mm。

3.如权利要求1所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述复配纤维由以下组分组成：玄武岩纤维30~40%，钢纤维60~70%。

4. 如权利要求3所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述钢纤维的长度为6～12 mm，直径为0.1～0.2 mm，所述玄武岩纤维的长度为5～10 mm，直径为0.05～0.08 mm。

5. 如权利要求1所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥的强度等级不低于42.5级，硅酸盐水泥的比表面积为300~400 m²/kg，硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥。

6.如权利要求1所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为20%~50%，减水率为10%-40%。

7.如权利要求1所述的一种用于打印的3D混凝土材料，其特征在于，所述矿物掺和料由以下组分组成：粉煤灰30~40%、矿渣粉0~12%和硅粉50~65%；所述粉煤灰为I级粉煤灰，所述矿渣粉不低于S95级，所述硅粉中二氧化硅≥88%。