CN115572124B - 一种3d打印秸秆混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印建筑材料技术领域，公开了一种3D打印秸秆混凝土材料及其制备方法，3D打印秸秆混凝土材料按照质量份数由硅酸盐水泥30‑35份、河砂20‑25份、粉煤灰10‑15份、纳米粘土10‑15份、橡胶粉10‑15份、改性玻璃纤维8‑12份、秸秆纤维5‑8份以及聚羧酸减水剂1‑2份、速凝剂1‑2份组成。本发明利用秸秆替代部分胶凝材料与其他纤维，降低了整体的材料成本，且能够有效的进行秸秆的废物利用，绿色环保，同时添加秸秆纤维得到的打印材料保温、隔热性能好。本发明通过硅酸盐水泥、河砂、粉煤灰、纳米粘土、橡胶粉、改性玻璃纤维、秸秆纤维的配合有效提高了打印材料的流变性、力学性能以及耐久性。
Description
技术领域
本发明属于3D打印建筑材料技术领域，尤其涉及一种3D打印秸秆混凝土材料及其制备方法。
背景技术
目前，混凝土3D打印技术是应用机电一体化技术通过挤出成型的方式将混凝土拌合物建造成三维结构的增材建造技术。混凝土3D打印技术是最主要优势在于完全省去了建筑模板的制造和施工成本。混凝土3D打印技术完全替代建筑模板这一巨大优势同时也为打印材料带来了巨大挑战，因为混凝土材料必须满足建筑模板所要求的全部条件。因此，新拌3D打印混凝土材料的早期性能非常重要。新拌3D打印混凝土材料需要具有特殊的流变特性，既可以顺利挤出，避免发生堵塞，又具有足够的早期强度和刚度，可以为后续层层堆积提供稳定基础，避免过度变形和坍塌。仅仅依靠材料自身配合比的调整，难以实现打印材料的特殊流变特性要求，因此，寻求一种可有效调整打印材料流变特性的材料是突破其上述瓶颈的重要途径。
然而，现有的3D打印混凝土材料的流变性、力学性能以及耐久性能不佳，且材料成本高，不稳定。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的3D打印混凝土材料的流变性、力学性能以及耐久性能不佳，且材料成本高，不稳定。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种3D打印秸秆混凝土材料及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种3D打印秸秆混凝土材料，所述3D打印秸秆混凝土材料按照质量份数由硅酸盐水泥30-35份、河砂20-25份、粉煤灰10-15份、纳米粘土10-15份、橡胶粉10-15份、改性玻璃纤维8-12份、秸秆纤维5-8份以及聚羧酸减水剂1-2份、速凝剂1-2份组成。
本发明的另一目的在于提供一种所述3D打印秸秆混凝土材料的3D打印秸秆混凝土材料的制备方法，所述3D打印秸秆混凝土材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎、焙烧处理得到纳米粘土；
步骤二，将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性；
步骤三，通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备；
步骤四，通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维；
步骤五，将制备得到的硅酸盐水泥、河砂、粉煤灰、纳米粘土、橡胶粉、改性玻璃纤维、秸秆纤维利用搅拌装置混合均匀，得到混合物料；
步骤六，将去离子水与聚羧酸减水剂、速凝剂搅拌均匀，得到助凝剂；将所述混合物料与所述助凝剂利用搅拌装置混合搅拌均匀，得到所述3D打印秸秆混凝土材料。
进一步，所述通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎，焙烧处理得到纳米粘土包括：
首先，称取有机蒙脱土与凹凸棒土，将称取的有机蒙脱土与凹凸棒土加入一定量的去离子水中，并进行超声振荡，得到混合均匀的混合浆液；
其次，将得到的混合浆液于常温下进行沉降处理，过滤去除上层上清液，保留沉淀；
然后，对所述沉淀利用去离子水洗涤后，利用烘干装置进行烘干处理，再利用粉碎装置进行粉碎，得到混合粉末；
最后，将得到的混合粉末放入管式炉中，在惰性气体氛围中于350℃下进行焙烧；自然冷却至室温后进行超声分散得到纳米粘土。
进一步，所述将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性包括：
首先，进行碳纤维的制备，将制备得到的碳纤维利用去离子水煮沸后，取出利用烘干装置进行烘干处理，得到烘干后的碳纤维；
其次，将烘干后的碳纤维浸泡于丙酮溶液中，于60℃下边搅拌边反应6-7小时，并自然冷却至室温；
然后，将冷却后的碳纤维利用去离子水冲洗后，放入处理溶液中，搅拌均匀后，于40℃下进行超声处理；
最后，将超声处理后的碳纤维在40℃下的真空环境中烘干，得到改性的碳纤维。
进一步，所述通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备包括：
首先，获取利用聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯制备碳纤维原丝，并对制备得到的碳纤维原丝进行预处理、水相悬浮聚合反应得到聚合物；
其次，对得到的聚合物进行螯合、过滤、烘干、加热、过滤、冷却处理得到纺丝原液；
再者，将得到的纺丝原液利用纺丝装置于45℃下得到初生碳纤维；将得到的初生碳纤维放置于预氧炉内进行预氧化处理；
然后，将预氧化后的碳纤维进行洗涤、拉伸处理，并利用磷酸、碳酸氢铵分别作为电解质对所述碳纤维进行电解处理；
最后，对所述电解处理的碳纤维进行上浆、真空干燥以及拉伸处理，得到所述碳纤维。
进一步，所述预氧化温度为260℃。
进一步，所述处理溶液由乙醇溶液与硅烷偶联剂按照体积比6:4组成。
进一步，所述通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维包括：
首先，获取秸秆原材料，去除获取的秸秆原材料的杂质后，利用去离子水进行冲洗，利用烘干装置进行烘干，利用粉碎装置进行粉碎，得到初步秸秆纤维；
其次，将得到的初步秸秆纤维浸泡于氢氧化钠溶液中再边搅拌边加热至45℃，并利用超声振荡装置进行超声振荡处理；
然后，将混合溶液进行过滤、利用去离子水洗至中性，利用烘干装置进行烘干得到预处理的秸秆纤维；
再然后，将预处理的秸秆纤维利用微波处理装置进行微波辐射处理，得到二次处理的秸秆纤维；
最后，将微波处理后的秸秆纤维利用去离子水冲洗后，再利用烘干装置进行烘干处理，得到秸秆纤维。
进一步，所述秸秆原材料为玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆中的任意两种。
进一步，所述氢氧化钠溶液的浓度为：4％-5％。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明利用秸秆替代部分胶凝材料与其他纤维，降低了整体的材料成本，且能够有效的进行秸秆的废物利用，绿色环保，同时添加秸秆纤维得到的打印材料保温、隔热性能好。本发明通过硅酸盐水泥、河砂、粉煤灰、纳米粘土、橡胶粉、改性玻璃纤维、秸秆纤维的配合有效提高了打印材料的流变性、力学性能以及耐久性。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明的3D打印混凝土材料具有优异的抗渗性，整体混凝土结构具有良好的整体性、延性以及抗震耗能性能，且稳定性好。
附图说明
图1是本发明实施例提供的3D打印秸秆混凝土材料的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎，焙烧处理得到纳米粘土的方法流程图；
图3是本发明实施例提供的将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的3D打印秸秆混凝土材料按照质量份数由硅酸盐水泥30-35份、河砂20-25份、粉煤灰10-15份、纳米粘土10-15份、橡胶粉10-15份、改性玻璃纤维8-12份、秸秆纤维5-8份以及聚羧酸减水剂1-2份、速凝剂1-2份组成。
如图1所示，本发明实施例提供的3D打印秸秆混凝土材料的制备方法包括以下步骤：
S101，通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎、焙烧处理得到纳米粘土；将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性；
S102，通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备；通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维；
S103，将制备得到的硅酸盐水泥、河砂、粉煤灰、纳米粘土、橡胶粉、改性玻璃纤维、秸秆纤维利用搅拌装置混合均匀，得到混合物料；
S104，将去离子水与聚羧酸减水剂、速凝剂搅拌均匀，得到助凝剂；将所述混合物料与所述助凝剂利用搅拌装置混合搅拌均匀，得到所述3D打印秸秆混凝土材料。
如图2所示，本发明实施例提供的通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎，焙烧处理得到纳米粘土包括：
S201，称取有机蒙脱土与凹凸棒土，将称取的有机蒙脱土与凹凸棒土加入一定量的去离子水中，并进行超声振荡，得到混合均匀的混合浆液；
S202，将得到的混合浆液于常温下进行沉降处理，过滤去除上层上清液，保留沉淀；
S203，对所述沉淀利用去离子水洗涤后，利用烘干装置进行烘干处理，再利用粉碎装置进行粉碎，得到混合粉末；
S204，将得到的混合粉末放入管式炉中，在惰性气体氛围中于350℃下进行焙烧；自然冷却至室温后进行超声分散得到纳米粘土。
如图3所示，本发明实施例提供的将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性包括：
S301，进行碳纤维的制备，将制备得到的碳纤维利用去离子水煮沸后，取出利用烘干装置进行烘干处理，得到烘干后的碳纤维；
S302，将烘干后的碳纤维浸泡于丙酮溶液中，于60℃下边搅拌边反应6-7小时，并自然冷却至室温；
S303，将冷却后的碳纤维利用去离子水冲洗后，放入处理溶液中，搅拌均匀后，于40℃下进行超声处理；
S304，将超声处理后的碳纤维在40℃下的真空环境中烘干，得到改性的碳纤维。
本发明实施例提供的通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备包括：
首先，获取利用聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯制备碳纤维原丝，并对制备得到的碳纤维原丝进行预处理、水相悬浮聚合反应得到聚合物；
其次，对得到的聚合物进行螯合、过滤、烘干、加热、过滤、冷却处理得到纺丝原液；
再者，将得到的纺丝原液利用纺丝装置于45℃下得到初生碳纤维；将得到的初生碳纤维放置于预氧炉内进行预氧化处理；
然后，将预氧化后的碳纤维进行洗涤、拉伸处理，并利用磷酸、碳酸氢铵分别作为电解质对所述碳纤维进行电解处理；
最后，对所述电解处理的碳纤维进行上浆、真空干燥以及拉伸处理，得到所述碳纤维。
本发明实施例提供的预氧化温度为260℃。
本发明实施例提供的处理溶液由乙醇溶液与硅烷偶联剂按照体积比6:4组成。
本发明实施例提供的通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维包括：
首先，获取秸秆原材料，去除获取的秸秆原材料的杂质后，利用去离子水进行冲洗，利用烘干装置进行烘干，利用粉碎装置进行粉碎，得到初步秸秆纤维；
其次，将得到的初步秸秆纤维浸泡于氢氧化钠溶液中再边搅拌边加热至45℃，并利用超声振荡装置进行超声振荡处理；
然后，将混合溶液进行过滤、利用去离子水洗至中性，利用烘干装置进行烘干得到预处理的秸秆纤维；
再然后，将预处理的秸秆纤维利用微波处理装置进行微波辐射处理，得到二次处理的秸秆纤维；
最后，将微波处理后的秸秆纤维利用去离子水冲洗后，再利用烘干装置进行烘干处理，得到秸秆纤维。
本发明实施例提供的秸秆原材料为玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆中的任意两种。
本发明实施例提供的氢氧化钠溶液的浓度为：4％-5％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述3D打印秸秆混凝土材料按照质量份数由硅酸盐水泥30-35份、河砂20-25份、粉煤灰10-15份、纳米粘土10-15份、橡胶粉10-15份、改性碳纤维8-12份、秸秆纤维5-8份以及聚羧酸减水剂1-2份、速凝剂1-2份组成；
所述3D打印秸秆混凝土材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎、焙烧处理得到纳米粘土；
步骤二，通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备；
通过对聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯依次进行预处理、聚合、纺丝、预氧化、洗涤、拉伸、电解、上浆、干燥处理进行碳纤维的制备，包括：
首先，获取利用聚丙烯腈以及丙烯酸甲酯制备碳纤维原丝，并对制备得到的碳纤维原丝进行预处理、水相悬浮聚合反应得到聚合物；
其次，对得到的聚合物进行螯合、过滤、烘干、加热、过滤、冷却处理得到纺丝原液；
再者，将得到的纺丝原液利用纺丝装置于45℃下得到初生碳纤维；将得到的初生碳纤维放置于预氧炉内进行预氧化处理；
然后，将预氧化后的碳纤维进行洗涤、拉伸处理，并利用磷酸、碳酸氢铵分别作为电解质对所述碳纤维进行电解处理；
最后，对所述电解处理的碳纤维进行上浆、真空干燥以及拉伸处理，得到所述碳纤维；
步骤三，将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性；
将碳纤维进行加热、烘干，结合处理溶液与超声波、真空烘干进行碳纤维的改性，包括：
首先，进行碳纤维的制备，将制备得到的碳纤维利用去离子水煮沸后，取出利用烘干装置进行烘干处理，得到烘干后的碳纤维；
其次，将烘干后的碳纤维浸泡于丙酮溶液中，于60℃下边搅拌边反应6-7小时，并自然冷却至室温；
然后，将冷却后的碳纤维利用去离子水冲洗后，放入处理溶液中，搅拌均匀后，于40℃下进行超声处理；
最后，将超声处理后的碳纤维在40℃下的真空环境中烘干，得到改性的碳纤维；
步骤四，通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维；
步骤五，将制备得到的硅酸盐水泥、河砂、粉煤灰、纳米粘土、橡胶粉、改性碳纤维、秸秆纤维利用搅拌装置混合均匀，得到混合物料；
步骤六，将去离子水与聚羧酸减水剂、速凝剂搅拌均匀，得到助凝剂；将所述混合物料与所述助凝剂利用搅拌装置混合搅拌均匀，得到所述3D打印秸秆混凝土材料。
2.如权利要求1所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述通过对有机蒙脱土与凹凸棒土进行溶解、超声振荡、沉降、烘干、粉碎，焙烧处理得到纳米粘土包括：
首先，称取有机蒙脱土与凹凸棒土，将称取的有机蒙脱土与凹凸棒土加入一定量的去离子水中，并进行超声振荡，得到混合均匀的混合浆液；
其次，将得到的混合浆液于常温下进行沉降处理，过滤去除上层上清液，保留沉淀；
然后，对所述沉淀利用去离子水洗涤后，利用烘干装置进行烘干处理，再利用粉碎装置进行粉碎，得到混合粉末；
最后，将得到的混合粉末放入管式炉中，在惰性气体氛围中于350℃下进行焙烧；自然冷却至室温后进行超声分散得到纳米粘土。
3.如权利要求1所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述预氧化温度为260℃。
4.如权利要求1所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述处理溶液由乙醇溶液与硅烷偶联剂按照体积比6:4组成。
5.如权利要求1所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述通过对秸秆原材料进行初步处理、预处理、微波辐射处理、烘干制备秸秆纤维包括：
首先，获取秸秆原材料，去除获取的秸秆原材料的杂质后，利用去离子水进行冲洗，利用烘干装置进行烘干，利用粉碎装置进行粉碎，得到初步秸秆纤维；
其次，将得到的初步秸秆纤维浸泡于氢氧化钠溶液中再边搅拌边加热至45℃，并利用超声振荡装置进行超声振荡处理；
然后，将混合溶液进行过滤、利用去离子水洗至中性，利用烘干装置进行烘干得到预处理的秸秆纤维；
再然后，将预处理的秸秆纤维利用微波处理装置进行微波辐射处理，得到二次处理的秸秆纤维；
最后，将微波处理后的秸秆纤维利用去离子水冲洗后，再利用烘干装置进行烘干处理，得到秸秆纤维。
6.如权利要求5所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述秸秆原材料为玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆中的任意两种。
7.如权利要求5所述3D打印秸秆混凝土材料，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为：4％-5％。
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