CN115353357A - 一种用于3d打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法 - Google Patents

一种用于3d打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法，属于建筑材料领域。超疏水自发光混凝土的原料组成为：水泥：1000‑1500份；石英砂：1000‑1300份；硅灰：50‑100份；水：300‑400份；减水剂：8‑12份；纤维素醚：1‑2份；消泡剂：2‑3份；纤维：4‑8份；发光粉：75‑85份；反光粉：30‑45份；偏高岭土：15‑25份；金属填料：0.015‑0.040份以及超疏水涂层。本发明将3D打印与超疏水自发光混凝土材料相融合，既突出了3D打印的节能环保、高效低耗的特点，同时还能利用超疏水自发光混凝土材料高效制备精细、异形构件，增强混凝土抗拉伸等力学性能，具有很强的现实应用价值。

Description

一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别是涉及一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法。
背景技术
3D打印技术在建筑工程领域的应用逐渐受到国内外的广泛关注，建筑3D打印采用的混凝土与普通混凝土不同，这种混凝土需具有良好的触变性也就是挤出时靠机械振动使其具有良好的流动性，便于打印工作，从打印头挤出后，机械振动消失，则立即失去流动性，保持打印形状。目前建筑用的普通混凝土或高性能混凝土不能满足需求。
超疏水表面涂层及自发光材料进行协同设计能够赋予自发光水泥路面材料表面自清洁功能，并提高自发光水泥路面材料耐水性。特别是在公路路标、公路分界线、人行道等处可起到指示及美化亮化的作用，是一种典型的节能环保建筑装饰材料。超疏水自发光材料使用寿命长，发光性能稳定，用于低亮度照明时，可有效节约电力资源，符合社会绿色经济发展理念，应用前景广泛。
目前现有的超疏水自发光混凝土的制备方法大都是以一定比例将水泥、发光粉、反光粉进行充分预拌合，通过改变发光粉、反光粉两者掺量，从而制得不同配比下的自发光混凝土。在养护完成后采用涂层处治技术，将疏水材料涂覆于自发光混凝土表面。传统的超疏水自发光混凝土制备时间较长且操作复杂，对于施工中的精细、异形构件的制备并不能很好地完成。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法，本发明提供的混凝土材料可用于3D打印，能够显著提高材料的拉伸强度和冲击韧性，并增强材料的发光能力和反光效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，包括面层、基层；
所述基层按重量份数计，其组成及含量分别为：
水泥：1000-1500份；
石英砂：1000-1300份；
硅灰：50-100份；
水：300-400份；
减水剂：8-12份；
纤维素醚：1-2份；
消泡剂：2-3份；
纤维：4-8份；
发光粉:75-85份；
反光粉：30-45份；
偏高岭土：15-25份；
金属填料：0.015-0.040份；
所述面层为超疏水涂层。
另一方法，上述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将水泥、石英砂、硅灰、发光粉、反光粉、偏高岭土、金属填料按比例称量后均匀混合得到固体粉料；
(2)将减水剂、水、纤维、纤维素醚、消泡剂按比例称量后待用；
(3)在混合均匀的固体粉料中加入减水剂、水并搅拌180-240s；
(4)将纤维、纤维素醚、消泡剂加入所述(3)中的拌合物中，搅拌300-600s，放入3D打印机中得到自发光混凝土；
(5)将(4)中所得的自发光混凝土试件涂覆超疏水涂层即得到超疏水自发光混凝土；
所述超疏水涂层为正硅酸乙酯水解过程中加入氟硅烷材料进行氟化处理后得到的。
本发明的有益效果为：
本发明将3D打印与超疏水自发光混凝土材料相融合，既能够突出3D打印的节能环保、高效低耗的特点，同时还能将实际工程中需要应用超疏水自发光混凝土材料性能的精细、异形构件进行高效制备，增强混凝土抗拉伸等力学性能，具有很强的现实应用价值。
本发明所提供的混凝土可用于3D打印，能够显著提高材料的拉伸强度和冲击韧性，并增强材料的发光能力和反光效果。同时本发明所提供的混凝土材料具有凝结时间短、早强度高的特点，通过加入羟丙基甲基纤维素醚能够增强粘度，改善可挤出性和建造性；金属填料Eu(DBM)3phen的加入，能够增强混凝土材料的拉伸强度与冲击强度，拉伸强度提高2.45％，冲击强度提高11.97％，能够在具备发光性能的同时，有效提高材料的力学性能。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于目前3D打印混凝土技术对混凝土性能要求高，超疏水自发光混凝土制备时间长且操作复杂，对施工中的精细、异形构件的制备不能很好的完成，本发明提出了一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料及制备方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，包括面层、基层；
所述基层按重量份数计，其组成及含量分别为：
水泥：1000-1500份；
石英砂：1000-1300份；
硅灰：50-100份；
水：300-400份；
减水剂：8-12份；
纤维素醚：1-2份；
消泡剂：2-3份；
纤维：4-8份；
发光粉:75-85份；
反光粉：30-45份；
偏高岭土：15-25份；
金属填料：0.015-0.040份；
所述面层为超疏水涂层。
该实施方式的一些实施例中，所述基层按重量份数计，其组成及含量分别为：
水泥：1000-1200份；
石英砂：1000-1100份；
硅灰：50-55份；
水：340-380份；
减水剂：10-12份；
纤维素醚：1-1.2份；
消泡剂：2-2.5份；
纤维：4-6份；
发光粉:75-80份；
反光粉：30-40份；
偏高岭土：15-20份；
金属填料：0.016-0.032份。
该实施方式的一些实施例中，所述水泥包括82-100％的普通硅酸盐水泥、0-18％的硫铝酸盐水泥，重量百分比。优选的，所述普通硅酸盐水泥的等级为42.5，所述硫铝酸盐水泥等级为52.5。两种水泥混合使用能够保证材料具有较高的早期强度和龄期强度。
该实施方式的一些实施例中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，其减水率为32％，用于调控材料的流动性和可挤出性。
该实施方式的一些实施例中，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度为200Pa.s，作为粘度改性剂，可改善其可挤出性和建造性。
该实施方式的一些实施例中，所述纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维。
优选的，所述聚丙烯纤维的长径比为110-130，优选为120。
优选的，所述聚乙烯醇纤维的长径比为190-200，优选为194。
优选的，所述聚丙烯纤维直径为40-60μm，优选为50μm；
优选的，所述聚乙烯醇纤维直径为30-40μm，优选为31μm；
优选的，聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维的质量比为1-5：1-2，优选为4：1。
在混凝土材料欧中加入纤维可改善材料的韧性，使其适用于3D打印技术。
该实施方式的一些实施例中，金属填料为Eu(DBM)3phen。具有发光性能的有机金属配合物Eu(DBM)3phen作为填料对混凝土材料进行改性，能够进一步提高混凝土自发光能力的同时，还能够使材料的拉伸强度和冲击强度得到提高。
优选的，金属填料添加量与聚丙烯纤维的质量比为0.5-1：99.0-99.5，优选为0.5：99.5。金属填料与聚丙烯纤维协同增强混凝土材料的力学性能，且在此添加量的情况下，混凝土材料的拉伸强度和冲击强度得到极大的提高。
该实施方式的一些实施例中，所述发光粉为稀土类黄绿色发光粉，优选为SrAl2O4:Eu2+,Dy3+，其目数为500-700目，优选为600目。发光粉的加入能够提高和延长混凝土材料的自发光时间，余辉时间较人眼可视最低亮度0.32mcd/m2可达8h以上。
该实施方式的一些实施例中，所述反光粉为灰色反光粉，以玻璃为主粉体材料，主要化学成分为SiO2，规格为200目，将其加入后利用微珠的高折射作用，可使混凝土材料具有回归反光效果。
该实施方式的一些实施例中，所述偏高岭土是高岭土在850℃煅烧温度下获得的，偏高岭土的化学成分主要为SiO2和Al2O3，能够显著提高材料的静态屈服应力，并降低结构变形。
该实施方式的一些实施例中，所述超疏水涂层为正硅酸乙酯水解过程中加入氟硅烷材料进行氟化处理后得到的，优选为氟硅烷类疏水涂层。
本发明的另一种典型实施方式，提供上述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将水泥、石英砂、硅灰、发光粉、反光粉、偏高岭土、金属填料按比例称量后均匀混合得到固体粉料；
(2)将减水剂、水、纤维、纤维素醚、消泡剂按比例称量后待用；
(3)在混合均匀的固体粉料中加入减水剂、水并搅拌混匀；
(4)将纤维、纤维素醚、消泡剂加入所述(3)中的拌合物中，搅拌混匀，放入3D打印机中得到自发光混凝土；
(5)将(4)中所得的自发光混凝土试件涂覆超疏水涂层即得到超疏水自发光混凝土；
所述超疏水涂层为正硅酸乙酯水解过程中加入氟硅烷材料进行氟化处理后得到的。
该实施方式的一些实施例中，搅拌时间视材料具体配比情况可灵活调整。
优选的，(2)中搅拌时间为180-240s。
优选的，(3)中搅拌时间为300-600s。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
如下实施例中选用的聚丙烯纤维规格为：长径比为120，直径为50μm；聚乙烯醇纤维规格为：长径比为194，直径为31μm。如下实施例中选用的超疏水涂层为市售氟硅烷类疏水涂层。
实施例1
一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法
按重量份数计，称取42.5普通硅酸盐水泥1000份，52.5硫铝酸盐水泥180份，石英砂1000份，硅灰50份，水340份，聚羧酸减水剂10份，羟丙基甲基纤维素醚1份，消泡剂2份，聚丙烯纤维3.2份，聚乙烯醇纤维0.8份，发光粉75份，反光粉30份，偏高岭土15份，金属填料Eu(DBM)3phen0.016份。
制备方法：
(1)将水泥、石英砂、硅灰、发光粉、反光粉、偏高岭土、金属填料按比例称量后均匀混合得到固体粉料；
(2)将减水剂、水、纤维、纤维素醚、消泡剂按比例称量后待用；
(3)向混合均匀的固体粉料中加入减水剂、水搅拌180-240s；
(4)将纤维、纤维素醚、消泡剂加入拌合物中，搅拌300-600s，放入3D打印机中得到自发光混凝土；
(5)将自发光混凝土试件涂覆超疏水涂层即得到超疏水自发光混凝土。
实施例2
一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法
按重量份数计，称取42.5普通硅酸盐水泥1000份，52.5硫铝酸盐水泥180份，石英砂1000份，硅灰50份，水340份，聚羧酸减水剂10份，羟丙基甲基纤维素醚1份，消泡剂2份，聚丙烯纤维3.2份，聚乙烯醇纤维0.8份，发光粉75份，反光粉30份，偏高岭土15份，金属填料Eu(DBM)3phen0.032份。
制备方法：
(1)将水泥、石英砂、硅灰、发光粉、反光粉、偏高岭土、金属填料按比例称量后均匀混合得到固体粉料；
(2)将减水剂、水、纤维、纤维素醚、消泡剂按比例称量后待用；
(3)向混合均匀的固体粉料中加入减水剂、水搅拌180-240s；
(4)将纤维、纤维素醚、消泡剂加入拌合物中，搅拌300-600s，放入3D打印机中得到自发光混凝土；
(5)将自发光混凝土试件涂覆超疏水涂层即得到超疏水自发光混凝土。
对比例1
与实施例1的区别在于，不添加金属填料Eu(DBM)3phen。
对比例2
与实施例1的区别在于，不添加聚丙烯。该混凝土较难成型。
力学性能测试：
对本发明实施例1-2以及对比例1、3-4所述方法得到的的超疏水自发光混凝土材料进行了金属填料对聚丙烯的力学性能影响进行了测试，结果如下表1所示。
表1
Figure BDA0003832359730000091
由表1可知，当聚丙烯与金属填料添加量的质量百分比为聚丙烯：金属填料＝99.5％：0.5％时，超疏水自发光混凝土材料的力学性能最好，相对于不添加金属填料得到的超疏水自发光混凝土材料的力学性能相比，拉伸强度提高2.45％，冲击强度提高11.97％。可见，金属填料Eu(DBM)3phen的加入，能够增强混凝土材料的拉伸强度与冲击强度，能够在具备发光性能的同时，有效提高材料的力学性能。
初凝、终凝时间测试：
对本发明实施例1-2以及对比例1、3-4所述方法得到的超疏水自发光混凝土材料进行了初凝、终凝时间测试，结果测试超疏水自发光混凝土的初凝时间为20min-120min，终凝时间为60min-180min。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，包括面层、基层；
所述基层按重量份数计，其组成及含量分别为：
水泥：1000-1500份；
石英砂：1000-1300份；
硅灰：50-100份；
水：300-400份；
减水剂：8-12份；
纤维素醚：1-2份；
消泡剂：2-3份；
纤维：4-8份；
发光粉:75-85份；
反光粉：30-45份；
偏高岭土：15-25份；
金属填料：0.015-0.040份；
所述面层为超疏水涂层。
2.如权利要求1所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述基层按重量份数计，其组成及含量分别为：
水泥：1000-1200份；
石英砂：1000-1100份；
硅灰：50-55份；
水：340-380份；
减水剂：10-12份；
纤维素醚：1-1.2份；
消泡剂：2-2.5份；
纤维：4-6份；
发光粉:75-80份；
反光粉：30-40份；
偏高岭土：15-20份；
金属填料：0.016-0.032份。
3.如权利要求1所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述水泥包括82-100％的硅酸盐水泥、0-18％的硫铝酸盐水泥，重量百分比。
4.如权利要求1所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维；
优选的，所述聚丙烯纤维的长径比为110-130，优选为120；
优选的，所述聚乙烯醇纤维的长径比为190-200，优选为194。
5.如权利要求4所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述聚丙烯纤维直径为40-60μm，优选为50μm；
或，所述聚乙烯醇纤维直径为30-40μm，优选为31μm；
或，聚乙烯纤维与聚乙烯醇纤维的质量比为1-5：1-2，优选为4：1。
6.如权利要求4所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，金属填料为Eu(DBM)3phen；
优选的，金属填料添加量与聚丙烯纤维的质量比为0.5-1：99.0-99.5，优选为0.5：99.5。
7.如权利要求1所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述发光粉为稀土类黄绿色发光粉，优选为SrAl2O4:Eu2+,Dy3+，其目数为500-700目，优选为600目。
8.如权利要求1所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料，其特征在于，所述超疏水涂层为正硅酸乙酯水解过程中加入氟硅烷材料进行氟化处理后得到的；优选为氟硅烷类疏水涂层。
9.权利要求1-8任一项所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
(1)将水泥、石英砂、硅灰、发光粉、反光粉、偏高岭土、金属填料按比例称量后均匀混合得到固体粉料；
(2)将减水剂、水、纤维、纤维素醚、消泡剂按比例称量后待用；
(3)在混合均匀的固体粉料中加入减水剂、水并搅拌混匀；
(4)将纤维、纤维素醚、消泡剂加入所述(3)中的拌合物中，搅拌混匀，放入3D打印机中得到自发光混凝土；
(5)将(4)中所得的自发光混凝土试件涂覆超疏水涂层即得到超疏水自发光混凝土；
所述超疏水涂层为正硅酸乙酯水解过程中加入氟硅烷材料进行氟化处理后得到的。
10.如权利要求9所述的用于3D打印的超疏水自发光混凝土材料的制备方法，其特征在于，搅拌时间视材料具体配比情况可灵活调整；
优选的，(2)中搅拌时间为180-240s；
优选的，(3)中搅拌时间为300-600s。
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