CN114349438B - 一种用于3d打印土遗址的混合土料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法，该混合土料组分及重量份数为：遗址土5500‑7500份、人工砂石粉0‑1800份、硫铝酸盐水泥1000‑1500份、石灰100‑200份、淀粉醚100‑150份、植物纤维80‑120份、矿物颜料10‑30份、硅烷偶联剂5‑12份、聚丙烯酰胺5‑12份、萘磺酸盐甲醛缩合物5‑10份、水900‑1300份。该制备方法为：对遗址土进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量；称取遗址土、人工砂石粉、硫铝酸盐水泥、石灰、淀粉醚、植物纤维、矿物颜料，搅拌均匀得到第一混合物；称取硅烷偶联剂、聚丙烯酰胺、萘磺酸盐甲醛缩合物、水，搅拌均匀得到第一溶液；将第一混合物和第一溶液搅拌均匀即可。本发明混合土料能达到3D打印的要求，成型后颜色、强度、耐久性能达到修旧如旧的文保要求。

Description

一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法

技术领域

本发明涉及3D打印材料、文物传承技术领域，具体涉及一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法。

背景技术

土遗址是一种特殊的文物，如半坡遗址、统万城、汉长安城、西夏王陵、交河故城和高昌遗址等，是考证人类历史、经济、制度、宗教、文化、艺术等发展演化的实物证据，是传承、弘扬传统文化的实物素材，具有深邃的历史、艺术、科学价值。土遗址保护、修复、展陈是传承、弘扬传统文化的手段之一，在宣扬文化自信的引领下，显得越来越重要。

3D打印技术是基于数字化模型文件的建造技术，具有精确化的技术优势，应用于文物保护、修复、展陈工程中，能精准的复原古建筑、土遗址等文物，优势明显，河北工业大学基于3D打印技术、用混凝土材料建造的装配式赵州桥即实例之一。

文物的保护、修复应根据其所具有的特点来确定保护手段，土遗址是一种特殊的文物，在保护、修复工程中必须贯彻修旧如旧的原则。土遗址历经数百年、甚至数千年的风蚀雨蚀存留至今，足以证明其强度、耐久性等性能非常好。3D打印技术是基于数字化模型文件的建造技术，而3D打印材料是3D打印的物质条件，是应用3D打印技术构建物体的基础。本发明一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法，主要应用于土遗址保护、修复、展陈等工程中，其性能需满足以下几点：其一是混合土料成型后外观要达到修旧如旧的文保要求；其二是混合土料成型后强度、耐久性要等同于土遗址；其三是混合土料要粘聚性好、凝结快、不塌落，达到3D打印的技术要求。目前，各类土固化剂、各种改性生土的方法在工程实践中广泛应用，但能同时满足上述要求的没有。

因此，急需开发一种混合土料及制备方法，能达到3D打印的技术要求，成型后外观能达到修旧如旧的文保要求，强度、耐久性能等同于土遗址。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法。为达到上述目标，混合土料以遗址土为主要组分，通过掺加人工砂石粉调整土料级配，提高密实度，通过掺加矿物颜料调整外观颜色，通过添加胶凝材料提高强度、耐久性，通过添加其他组分适应3D打印的技术要求，改善混合土料的性能。使用该混合土料及制备方法，基于3D打印技术，可以在土遗址保护、修复、展陈工程中制作土遗址。

本发明为了达到上述目的所采用的技术方案为：

(一)一种用于3D打印土遗址的混合土料，包括以下原料组分及重量份数：遗址土5500-7500份、人工砂石粉0-1800份、硫铝酸盐水泥1000-1500份、石灰100-200份、淀粉醚100-150份、植物纤维80-120份、矿物颜料10-30份、硅烷偶联剂5-12份、聚丙烯酰胺5-12份、萘磺酸盐甲醛缩合物5-10份、水900-1300份。

进一步的，所述遗址土为土遗址区域的土。

进一步的，所述人工砂石粉为石灰岩砂石粉、页岩砂石粉、石英砂岩砂石粉的一种。

进一步的，所述石灰的氧化钙的质量百分比大于85％。

进一步的，所述植物纤维为亚麻纤维、黄麻纤维、甘蔗纤维、剑麻纤维的一种或几种。

进一步的，所述植物纤维的长度为6-10mm，直径为0.02-0.06mm。

混合土料组分中遗址土含量占55％-75％，无论是外观，还是化学成分、物理性状能最大程度上做到成型后与土遗址相似，满足文保修旧如旧的要求。

土的颗粒级配影响土的密实度，密实度高则强度高、耐久性好。通过颗分试验分析遗址土的级配，依据试验结果确定混合土料组分中人工砂石粉的粒径组、掺量，调整遗址土的级配，使其级配良好。

混合土料组分中硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，主要作用是提高强度。硫铝酸盐水泥具有与遗址土相近的颜色，与其他类别水泥相比，掺加硫铝酸盐水泥对土遗址颜色的影响微弱。开裂会导致土遗址耐久性变差，硫铝酸盐水泥具有微膨胀、不收缩的特性，可以减少裂缝的产生，同时，硫铝酸盐水泥的高抗冻性、高耐蚀性、高抗渗性均对耐久性有利。再者，硫铝酸盐水泥早期强度较高，土遗址打印成型后不易塌落，这是3D打印的技术要求之一。

石灰掺加到混合土料中可以提高强度，原因是石灰的碳酸化及氢氧化钙结晶的共同作用，这个发展过程非常缓慢，经历产生凝胶、凝胶良好、结晶三个阶段，因此石灰不但可以提高混合土料强度，而且后期强度任然会缓慢增长。石灰中氧化钙、氢氧化钙成分，在混合土料中能生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等晶种，对水泥具有促凝作用，可以提高早期强度，打印的土遗址成型后不易塌落，有利于3D打印。

淀粉醚掺加到混合土料中，提高了粘度稳定性，可得到更强的结构性，且在强碱性条件下醚键不易发生水解。在混合土料中，同时掺加了石灰与淀粉醚，淀粉醚对氢氧化钙碳化反应生成碳酸钙晶体的生长过程有明显的调控作用，使颗粒度变小，结构更加致密，加上淀粉醚的粘接和协同作用，可以提高强度。

进一步，混合土料中掺加植物纤维可以大幅度降低干缩率，提高抗拉抗裂能力，从而减少裂缝的产生，有效减缓剥蚀，雨蚀、风蚀的发生，也可以大幅度增加韧性，提高抗冲击强度。同时，植物纤维是自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源，有利于环保。

矿物颜料是矿石经粉碎、研磨、分级制成的无机性质有色颜料，用于文物修复工程中，色性稳定、覆盖力强、不易变色。因混合土料中掺加了人工砂石粉、硫铝酸盐水泥、石灰等组分，会影响成型后的外观颜色，矿物颜料在此起调整外观颜色的作用。

混合土料中既有有机物又有无机物，硅烷偶联剂的掺加可以增加无机物和有机物的粘结强度。硅烷偶联剂是一类分子中同时含有两种不同化学性质的有机硅化合物，可在无机物和有机物的界面之间架起"分子桥"，把两种性质悬殊的材料连接在一起。同时也可以改善土颗粒界面区域的浸润性，起到防水作用。

聚丙烯酰胺是一种线状的有机高分子聚合物，具有絮凝作用，混合土料中掺加聚丙烯酰胺，可以在土颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒土形成比较大的絮团，增加混合土料的粘聚性，并且有利于增加密实度、提高强度。

萘磺酸盐甲醛缩合物属高效减水剂，混合土料中掺加萘磺酸盐甲醛缩合物可以起减少用水量的作用。如混合土料中用水量多，则孔隙体积率大，即密实度差、强度低。再者，萘磺酸盐甲醛缩合物可以减少混合土料的凝固时间，满足3D打印对于凝结快的要求。

混合土料上述组分中遗址土、硫铝酸盐水泥、矿物颜料主要作用是使成型后的土遗址能达到文保修旧如旧的要求；人工砂石粉主要作用是调整遗址土的级配，增加密实度，从而提高强度和耐久性；硫铝酸盐水泥和石灰的协同作用是提高强度、耐久性，同时，早期强度高满足3D打印的技术要求；石灰、淀粉醚联合使用可以增加后期强度；植物纤维的作用是减少开裂，有效减缓剥蚀，雨蚀、风蚀的发生，提高耐久性；硅烷偶联剂、聚丙烯酰胺、萘磺酸盐甲醛缩合物的联合使用，既增大了粘结强度、减少了用水量，又改善了粘聚性，既有利于提高强度，又能满足3D打印粘聚性好的要求。

(二)一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量和矿物颜料的种类、掺量；

步骤二、称取遗址土5500-7500份、人工砂石粉0-1800份、硫铝酸盐水泥1000-1500份、石灰100-200份、淀粉醚100-150份、植物纤维80-120份、矿物颜料10-30份，常温下搅拌均匀，得到第一混合物；

步骤三、称取硅烷偶联剂5-12份、聚丙烯酰胺5-12份、萘磺酸盐甲醛缩合物5-10份，水900-1300份，常温下搅拌均匀，得到第一溶液；

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌均匀，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

进一步的，步骤一中，确定人工砂石粉的径粒组、掺量的方法如下：

试验分析得出遗址土的级配曲线、不均匀系数Cu、曲率系数Cc；

如果Cu>5且Cc＝1～3，则判定该土级配良好，则不掺加人工砂石粉；否则，判定该土级配不良，则依据级配曲线确定人工砂石粉的粒径组、掺量，使该土级配良好；

步骤一中，确定矿物颜料种类、掺量的方法如下：根据遗址土的颜色，选择相同或相近颜色的矿物颜料；掺量取硫铝酸盐水泥与人工砂石粉两者之和的0.5-1.5％。

本发明一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法，混合土料粘聚性好、凝结快、不塌落，满足3D打印的技术要求，成型后外观颜色与土遗址原样基本一致，强度、耐久性均优于土遗址原样。

具体实施方式

本发明公开了一种用于3D打印土遗址的混合土料及制备方法，基于3D打印技术，使用本发明的混合土料及制备方法，可以在土遗址保护、修复、展陈工程中制作土遗址。为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例A1

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土A进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土A过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，该遗址土A级配不良；确定掺加的人工砂石粉为石灰岩砂石粉，取0.1-1mm粒径组，掺量为1200g；依据遗址土A的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为30g。

步骤二、称取遗址土A5800g、人工砂石粉1200g、硫铝酸盐水泥1410g、石灰130g、淀粉醚110g、植物纤维90g，矿物颜料30g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用亚麻纤维，长度为8mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂10g、聚丙烯酰胺10g、萘磺酸盐甲醛缩合物10g、水1200g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

实施例A2

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土A进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土A过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，该遗址土A级配不良；确定掺加的人工砂石粉为石灰岩砂石粉，取0.1-1mm粒径组，掺量为1800g；依据遗址土A的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为30g。

步骤二、称取遗址土A5600g、人工砂石粉1800g、硫铝酸盐水泥1010g、石灰130g、淀粉醚110g、植物纤维90g，矿物颜料30g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用亚麻纤维，长度为8mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂10g、聚丙烯酰胺10g、萘磺酸盐甲醛缩合物10g、水1200g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

实施例A3

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土A进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土A过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，该遗址土A级配不良；确定人工砂石粉掺量为0g；依据遗址土A的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为15g。

步骤二、称取遗址土A7150g、人工砂石粉0g、硫铝酸盐水泥1420g、石灰130g、淀粉醚120g、植物纤维90g，矿物颜料15g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用亚麻纤维，长度为8mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂10g、聚丙烯酰胺10g、萘磺酸盐甲醛缩合物10g、水1045g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

实施例A4

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土A进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土A过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，该遗址土A级配不良；确定人工砂石粉掺量为0g；依据遗址土A的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为10g。

步骤二、称取遗址土A7500g、人工砂石粉0g、硫铝酸盐水泥1020g、石灰190g、淀粉醚150g、植物纤维90g，矿物颜料10g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用亚麻纤维，长度为8mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂10g、聚丙烯酰胺10g、萘磺酸盐甲醛缩合物10g、水1010g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

实施例B1

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土B进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土B过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，遗址土B级配良好，确定人工砂石粉掺量为0g；依据遗址土B的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为10g。

步骤二、称取遗址土B7500g、人工砂石粉0g、硫铝酸盐水泥1020g、石灰185g、淀粉醚140g、植物纤维120g，矿物颜料10g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用剑麻纤维，长度为6mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂10g、聚丙烯酰胺10g、萘磺酸盐甲醛缩合物5g、水1000g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌20-30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

实施例B2

一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土B进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量，并确定矿物颜料的种类、掺量；

本实施例中，先将遗址土B过2mm筛，取筛下土备用；进行颗分试验，遗址土B级配良好，确定人工砂石粉掺量为0g；依据遗址土B的颜色确定矿物颜料为棕黄色，掺量为15g。

步骤二、称取遗址土B7200g、人工砂石粉0g、硫铝酸盐水泥1400g、石灰140g、淀粉醚105g、植物纤维105g，矿物颜料15g、常温下搅拌30min，得到第一混合物。

本实施例中，植物纤维采用剑麻纤维，长度为6mm，直径为0.04mm。

步骤三、称取硅烷偶联剂8g、聚丙烯酰胺7g、萘磺酸盐甲醛缩合物10g、水1010g，常温下搅拌10min，得到第一溶液。

步骤四、将步骤一得到的第一混合物和步骤二得到的第一溶液混合，常温下搅拌20-30min，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

为了验证本发明，参照GB/T50123-2019制作试样，进行强度试验和崩解试验，测试强度与崩解量，参照GB/T50082-2009进行冻融试验，测试25次冻融后质量损失率，参照GB/T50080-2002进行凝结时间试验，测试初凝时间。实施例试样成型后养护28d，土遗址原样无需养护。试验结果如下表：

实施例的外观颜色基本与土遗址原样一致，即混合土料成型后外观能达到修旧如旧的文保要求；初凝时间大约为20-30min，凝结快，能达到3D打印需快速凝结的技术要求；除实施例A3、A4外，其余实施例的强度、崩解量、质量损失率均优于土遗址原样，即混合土料成型后强度、耐久性能等同于土遗址。实施例A3的崩解量、质量损失率大于土遗址原样A，实施例A4的强度低于土遗址原样A，崩解量、质量损失率大于土遗址原样A，原因是实施例A3、A4使用的遗址土级配不良，但没有掺加人工砂石粉调整级配。所以，在使用本发明的原料组分及重量份数时，如遗址土级配不良，则必须掺加人工砂石粉调整级配。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于3D打印土遗址的混合土料，其特征在于，包括以下原料组分及重量份数：遗址土5500-7500份、人工砂石粉0-1800份、硫铝酸盐水泥1000-1500份、石灰100-200份、淀粉醚100-150份、植物纤维80-120份、矿物颜料10-30份、硅烷偶联剂5-12份、聚丙烯酰胺5-12份、萘磺酸盐甲醛缩合物5-10份、水900-1300份；所述遗址土为土遗址区域的土。

2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印土遗址的混合土料，其特征在于，所述人工砂石粉为石灰岩砂石粉、页岩砂石粉、石英砂岩砂石粉的一种。

3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印土遗址的混合土料，其特征在于，所述石灰的氧化钙质量百分比大于85％。

4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印土遗址的混合土料，其特征在于，所述植物纤维为亚麻纤维、黄麻纤维、甘蔗纤维、剑麻纤维的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种用于3D打印土遗址的混合土料，其特征在于，所述植物纤维长度为6-10mm，直径为0.02-0.06mm。

6.根据权利要求1所述的用于3D打印土遗址的混合土料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对遗址土进行试验分析，确定人工砂石粉的粒径组、掺量和矿物颜料的种类、掺量；

步骤二、称取遗址土5500-7500份、人工砂石粉0-1800份、硫铝酸盐水泥1000-1500份、石灰100-200份、淀粉醚100-150份、植物纤维80-120份、矿物颜料10-30份，常温下搅拌均匀，得到第一混合物；

步骤三、称取硅烷偶联剂5-12份、聚丙烯酰胺5-12份、萘磺酸盐甲醛缩合物5-10份，水900-1300份，常温下搅拌均匀，得到第一溶液；

步骤四、将步骤二得到的第一混合物和步骤三得到的第一溶液混合，常温下搅拌均匀，即得到用于3D打印土遗址的混合土料。

7.根据权利要求6所述的一种用于3D打印土遗址的混合土料制备方法，其特征在于，步骤一中，确定人工砂石粉径粒组、掺量的方法如下：

试验分析得出遗址土的级配曲线、不均匀系数Cu、曲率系数Cc；

如果Cu>5且Cc＝1～3，则判定该遗址土级配良好，则不掺加人工砂石粉；否则，判定该遗址土级配不良，则依据级配曲线确定人工砂石粉的粒径组、掺量，使该遗址土级配良好；

步骤一中，确定矿物颜料种类、掺量的方法如下：根据遗址土的颜色，选择相同或相近颜色的矿物颜料；掺量取硫铝酸盐水泥与人工砂石粉两者质量之和的0.5-1.5％。