CN115784690B - 改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115784690B CN115784690B CN202211580149.2A CN202211580149A CN115784690B CN 115784690 B CN115784690 B CN 115784690B CN 202211580149 A CN202211580149 A CN 202211580149A CN 115784690 B CN115784690 B CN 115784690B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- printing
- eps
- concrete
- anisotropy
- eps concrete
- 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
Links
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims abstract description 172
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 106
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 40
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910021487 silica fume Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920006327 polystyrene foam Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 28
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 14
- 239000001866 hydroxypropyl methyl cellulose Substances 0.000 claims description 5
- 235000010979 hydroxypropyl methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 5
- 229920003088 hydroxypropyl methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 5
- UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N hydroxypropyl methyl cellulose Chemical group OC1C(O)C(OC)OC(CO)C1OC1C(O)C(O)C(OC2C(C(O)C(OC3C(C(O)C(O)C(CO)O3)O)C(CO)O2)O)C(CO)O1 UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical group [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229920006248 expandable polystyrene Polymers 0.000 abstract description 142
- 238000003756 stirring Methods 0.000 abstract description 36
- 239000002002 slurry Substances 0.000 abstract description 14
- 239000000725 suspension Substances 0.000 abstract description 12
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 31
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 28
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 23
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 11
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 10
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 7
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 7
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 7
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 238000007580 dry-mixing Methods 0.000 description 5
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 229910001653 ettringite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 4
- 239000003469 silicate cement Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- GADCCAIZPYMHDO-UHFFFAOYSA-L [S-]S[S-].[Ca+2] Chemical compound [S-]S[S-].[Ca+2] GADCCAIZPYMHDO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- JGIATAMCQXIDNZ-UHFFFAOYSA-N calcium sulfide Chemical compound [Ca]=S JGIATAMCQXIDNZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000004794 expanded polystyrene Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 231100000989 no adverse effect Toxicity 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
Abstract
本发明公开了一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料及其制备方法，该混凝土包括以下组分：普通硅酸盐水泥；快硬水泥；粉煤灰；硅灰；水；增稠剂；减水剂；膨胀剂；聚苯乙烯泡沫骨料；混杂无机纤维。制备时，将无机纤维与普通硅酸盐水泥、快硬水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂混合得到混合物料；将增稠剂、减水剂与拌和水均匀混合，得到拌和用悬浮液；将混合物料和拌和用悬浮液在搅拌下混合后得到浆料，即得到用于3D打印的耐高温轻质EPS混凝土材料。本发明提出的EPS混凝土的高温分解质量损失率降低，EPS混凝土的早龄期抗压强度值明显提高。本发明提出的耐高温轻质EPS混凝土材料具有较好的可打印性，有效改善3D打印EPS混凝土抗压、抗折强度的各向异性。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印的耐高温EPS混凝土材料及其制备方法，能显著改善混凝土材料的3D打印各向异性。
背景技术
在传统建造工艺中，建筑结构复杂度的上升会增加模板制作和混凝土浇筑过程的成本和时间。而3D打印混凝土技术在建造全过程中不需模板辅助，因此对于复杂建筑结构的施工建造，3D打印混凝土技术在施工安全性、成本和施工效率上都胜于传统建造形式。但是，3D打印混凝土技术的堆叠成型建造工艺也带来了诸多性能问题，如3D打印混凝土结构存在局部孔隙缺陷、力学性能呈各向异性等。国内外较多的研究结果证实，逐层堆叠的打印过程导致了3D打印混凝土的细观非均质性，打印材料因加载方式的不同而表现出迥异的力学性质，即力学性能各向异性。这主要是由于混凝土3D打印过程中引入的弱面结构以及空隙所引起的层与层界面之间粘结性能不良所导致的。3D打印混凝土的堆叠成型引起的力学性能各向异性是目前3D打印混凝土在工程应用中所面临的关键技术问题之一。
针对3D打印混凝土堆叠成型引起的力学性能各向异性的问题，目前只有极少的方法探讨了3D混凝土打印路径的优化设置实现垂直于打印方向的力学性能一致性。但是打印沉积方向的力学性能与垂直于打印方向的力学性能仍存在较大的不一致性。另外，相同的配合比条件下，与浇筑成型的混凝土相比，经过打印路径优化的3D打印混凝土的抗压强度与抗折强度依然偏低。关于3D打印混凝土力学性能的各向异性的现象，国内文献《基于打印参数影响的3D打印混凝土力学性能试验研究》报道中显示，正交打印路径相比平行路径，对打印试件抗压强度提升显著，在X、Y、Z受力方向的抗压强度分别提高了10.8％、39.2％、46.7％；但是，正交打印路径成型的混凝土的抗压强度只有浇筑成型的混凝土的抗压强度值的68％。文献《3D打印高延性水泥基复合材料的单轴受拉和受压行为》显示，在单轴抗压强度方面，Z、Y、X受力方向下的打印的混凝土试块强度分别为同条件下浇筑试块强度(41.7MPa)的67.6％、63.2％、59.1％。
针对3D打印混凝土的底层混凝土体积压缩的问题，通过降低混凝土的密度，减少混凝土的自重，同时调节混凝土的打印窗口，进而降低底层混凝土体积压缩，是目前可行的解决办法之一。轻质混凝土的制备过程中，一般来讲是通过使用轻质骨料实现混凝土干密度的有效降低。聚苯乙烯(Expanded polystyrene，EPS)泡沫骨料具有较低的导热系数和较低的密度，是一类常用的轻质保温骨料。将EPS泡沫骨料作为轻骨料制备EPS混凝土，具有轻质、保温隔热性好、价格低廉、施工方便、易于切割和安装等诸多优点。但是由于EPS颗粒自身熔点较低，耐高温性较差，3D打印成型或者浇筑成型的EPS混凝土仍然存在高温后强度损失高的缺点。
发明内容
针对以上3D打印EPS混凝土的技术难题，本发明提供一种用于3D打印的耐高温EPS混凝土材料及其制备方法，能显著改善混凝土材料的3D打印各向异性，制作出的3D打印EPS混凝土具有轻质、高温后抗压强度损失率低、力学性能与浇筑成型混凝土相当等性能特点。另外，本发明提供的EPS混凝土材料具有优异的可打印性和适宜的打印窗口时间，3D打印路径设计简单，打印后的EPS混凝土的抗压、抗折等力学性能表现出良好的各向同性。本发明提出的3D打印EPS混凝土的早龄期抗压强度优于浇筑成型的EPS混凝土的抗压强度，3D打印EPS混凝土的抗折强度与浇筑成型的EPS混凝土的抗折强度相当。本发明提出的3D打印EPS混凝土的高温后抗压强度值、抗折强度值损失率均下降。
为了解决3D打印EPS混凝土的力学性能各异现象，首先，本发明采用了快硬水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰与硅灰的复配胶凝体系，调控新拌EPS混凝土材料的凝结硬化时间，有效控制EPS混凝土材料挤出后的硬化速度。其次，本发明采用了少量的微纳混杂无机纤维改性EPS混凝土材料，调控新拌EPS混凝土材料的早期性能，如流动性与可打印性，改善EPS混凝土打印层间的粘结性能。
其次，本发明采用的氧化铝纤维微粉，不仅可以起到调节新拌EPS混凝土材料的流动性，同时可以有效促进复合胶凝材料体系的水化反应进程，提高水化反应速率，加速早期水化产物生成，如钙矾石、C-S-H凝胶和氢氧化钙等主要水化产物的生成时间均明显提前，这可以进一步调节EPS混凝土材料的凝结速度与凝结时间。大量的针棒状钙矾石(三硫型硫铝酸钙，AFt相)晶体在胶凝材料水化反应的前30分钟内大量生成，有助于提高3D打印EPS混凝土的层与层之间的界面微粗糙度，促进层与层之间的黏结。同时，在EPS泡沫骨料与浆体之间的界面区，大量的针棒状钙矾石沿着EPS颗粒表面交织生长，有效地提升了EPS泡沫骨料颗粒的微粗糙度。由于本发明提出的复合胶凝体系中钙矾石的生成量远高于石膏含量，所以在胶凝材料水化的减速期，AFt相大量转化为单硫型硫铝酸钙(即AFm相)。AFm相的微观形貌多为不规则板状、成簇状、花朵状或六方板状，大量的AFm相进一步增加了EPS泡沫骨料表面的粗糙度，进而提升了EPS泡沫骨料与基体之间的界面黏结。这有利于提升硬化EPS混凝土的密实程度，获得更优异的抗压、抗折等力学性能。
第三，本发明采用的宏观无机纤维为玻璃纤维，其长度在毫米级。玻璃纤维在EPS混凝土材料中均匀分布，可以有效提高EPS混凝土材料的触变性，同时由于玻璃纤维具有较好的柔韧性，随浆料一起从打印喷头挤出后，其在打印层之间的分布依然具有很好的均匀性。玻璃纤维的桥接作用，可以进一步增强3D打印EPS混凝土层与层之间的粘结。
为了解决由于EPS泡沫骨料高温熔化分解引起的3D打印EPS混凝土的高温后力学性能严重劣化现象，本发明采用了含有阻燃剂的EPS泡沫骨料，但是这类EPS泡沫骨料在超过300℃的高温时依然会熔化。因此，本发明在选用促进3D打印混凝土层间粘结的纤维材料时，选用了具有耐高温性能良好的玻璃纤维与氧化铝纤维微粉，组成多尺度混杂无机纤维。一方面，当EPS混凝土经受高温作用、EPS泡沫骨料熔化后，多尺度混杂纤维的桥接作用，可以一定程度上减少EPS混凝土高温后力学性能的损失。另一方面，上述氧化铝纤维微粉的存在，首先氧化铝微粉可以作为成核位点，促进快硬水泥的主要水化产物AFt相的生成。其次，在碱性环境下，氧化铝微粉溶解释放Al进入孔溶液中，消耗孔溶液中的Ca2+、SO42–，促使AFt向AFm相转化。因此，形成更多的AFm相，也使得水泥石中化学结合水含量有所增加。
有文献报道在室温到400℃范围内，普通混凝土中水化产物AFt和AFm分解、以及C-S-H结晶水的丧失，可能会使水混凝土的强度有所降低。但是，在此温度下，混凝土强度出现部分增长现象，包括以下两方面原因，一方面是由在150～350℃时自由水蒸发后水泥基材料的干燥硬化引起，另一方面是由未水化水泥颗粒及矿物掺合料在高温蒸汽环境下“内养护”而继续水化引起的。另外，在高温在300～480℃时，AFm相脱水生成无水AFm，化学组成为C3A·CaSO4，即在此温度下AFm相只是失去了所有的化学结合水。在高温蒸汽环境下，AFm相脱水生成无水AFm能再次发生水化反应，无水AFm水化后具有较好的胶凝性能。
在本发明中，氧化铝微粉的存在使得复合胶凝体系在水化早期生成了更多的AFm，也结合了更多的化学结合水，一方面在高温时能够释放出更多的化学结合水形成高温蒸汽；另一方面AFm相高温失水后会生成更多的无水AFm，在高温蒸汽环境中，无水AFm再次水化。即，除了未水化水泥颗粒及矿物掺合料在高温蒸汽环境下“内养护”而继续水化，掺入氧化铝微粉后，更多的无水AFm再次水化，进而一定程度上提升硬化EPS混凝土的耐高温分解性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，由胶凝材料、水、增稠剂、减水剂、膨胀剂、聚苯乙烯泡沫骨料及混杂微纳无机纤维混合均匀得到，所述胶凝材料为按照质量份数由普通硅酸盐水泥100份；快硬水泥30～40份；粉煤灰25～30份；硅灰6～8份复配的胶凝体系。
作为一种优选方案，所述耐高温EPS混凝土材料中水60～75份。
作为一种优选方案，所述的混杂微纳无机纤维由毫米级的无碱玻璃纤维与微米级的氧化铝纤维微粉组成。
进一步优选，所述的快硬水泥的初凝时间小于15分钟。
作为一种优选方案，所述混杂无机纤维由宏观尺度玻璃纤维与微观尺度氧化铝纤维微粉混杂而成。其中玻璃纤维，长度为3～6毫米，直径为20～30微米。
作为一种优选方案，氧化铝纤维微粉直径范围是1～100微米，D50小于10微米。
作为一种优选方案，所述玻璃纤维的体积掺量占EPS混凝土材料的体积分数为0.15％～0.25％，氧化铝纤维微粉的掺量为胶凝材料质量的2.0％～5.0％。
作为一种优选方案，所述的增稠剂为粉末状非离子型纤维素混合醚的一种；增稠剂的掺量为胶凝材料质量的0.1％～0.3％。
作为一种优选方案，所述的膨胀剂为硫铝酸钙型混凝土膨胀剂，膨胀剂中铝相成分含量大于35％；膨胀剂的掺量为胶凝材料质量的2.0～3.0％。
作为一种优选方案，所述的减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率大于30％；减水剂的用量为胶凝材料质量的0.3％～1.0％。
本发明还提供一种上述改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将混杂无机纤维与胶凝材料混合，干拌至纤维均匀分散在粉料中，得到混合物料；
(2)将增稠剂、减水剂与拌和水混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；
(3)将步骤(2)所得拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在搅拌锅内低速搅拌60～120s，再高速搅拌180s～210s，得到均匀的浆料；
(4)将聚苯乙烯泡沫骨料匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料。
作为一种优选方案，所述的聚苯乙烯泡沫骨料(EPS泡沫骨料)的粒径为2～3mm，EPS颗粒的体积为步骤(3)中浆料体积的70％～78％。
作为一种优选方案，所述制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，初凝时间为40～55min，跳桌法测得流动度为150～180mm，稠度值为60～100mm。
作为一种优选方案，所制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料硬化后，干密度为600～900kg/m3。
作为一种优选方案，所制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，3D打印时，选用打印参数如下：所使用打印喷头直径为10～25mm，打印混凝土的层高为5～12mm，模型打印填充方式为成90°夹角的回环填充。
针对EPS泡沫骨料的耐高温性能差、EPS混凝土高温后力学性能损失大的现象，本发明通过使用阻燃型EPS泡沫骨料，掺加常用的耐高温的混杂无机纤维，调节EPS混凝土材料的流动度与耐高温性能，降低EPS混凝土的高温后力学损失率。
针对3D打印成型EPS混凝土力学性能各向异性、3D打印成型的EPS混凝土抗压强度与抗折强度偏低的现象，本发明通过使用低掺量的宏观混杂无机纤维和快硬水泥，调节EPS混凝土的流动度与凝结时间，实现EPS混凝土材料在3D打印时有足够的打印窗口与层间粘结性能，进而提高3D打印后EPS混凝土的抗压强度与断裂韧性。
与现有技术相比，本发明提供的技术方法和产品具有以下有益效果：
(1)本发明制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料使用含特殊阻燃材料的EPS颗粒，引入低掺量的宏观混杂无机纤维，有效改善EPS混凝土材料的高温后力学性能损失率高的现象。
(2)本发明制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料具有适宜的流动度、较好的可打印性，打印窗口时间合适，能够适用于3D打印快速成型。
(3)本发明制备的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料采用3D打印成型硬化后，力学性能表现出较好的各向同性，且力学性能与浇筑成型的EPS混凝土的力学性能相当。本发明通过引入低掺量的宏观混杂无机纤维，有效调节EPS混凝土材料的流动性，提高EPS混凝土的力学性能，实现3D打印EPS混凝土与浇筑成型的EPS混凝土的力学性能相当，有效改善3D打印成型引起的混凝土力学性能各向异性的现象。
(4)本发明制备的3D打印EPS混凝土具有较低的导热系数，表现出较好的保温性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例，而不是全部的实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，胶凝材料是由快硬水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰按照一定质量比复配的胶凝体系，以2～3mm的阻燃EPS泡沫颗粒作为轻质骨料，以羟丙基甲基纤维素作为增稠剂，以氧化铝纤维微粉和玻璃纤维共同作为掺杂纤维进行EPS混凝土材料的制备，具体的配比如下：
(1)将混杂无机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、粉煤灰和硅灰混合，干拌至纤维均匀分散在粉料中，得到混合物料；
(2)将增稠剂、减水剂与拌和水混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；
(3)将步骤(2)所得拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在搅拌锅内低速搅拌60～120s，再高速搅拌180s～210s，得到均匀的浆料；
(4)将聚苯乙烯泡沫骨料匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述用于3D打印的耐高温轻质EPS混凝土材料。
(5)将所得EPS混凝土材料加入3D打印机，根据预设打印模型和路径打印成型。
实施例2：
本实施例提供一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，胶凝材料是由快硬水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰按照一定质量比复配的胶凝体系，以2～3mm的阻燃EPS泡沫颗粒作为轻质骨料，以羟丙基甲基纤维素作为增稠剂，以氧化铝纤维微粉和玻璃纤维共同作为掺杂纤维进行EPS混凝土材料的制备，具体的配比如下：
(1)将混杂无机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、粉煤灰和硅灰混合，干拌至纤维均匀分散在粉料中，得到混合物料；
(2)将增稠剂、减水剂与拌和水混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；
(3)将步骤(2)所得拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在搅拌锅内低速搅拌60～120s，再高速搅拌180s～210s，得到均匀的浆料；
(4)将聚苯乙烯泡沫骨料匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述用于3D打印的耐高温轻质EPS混凝土材料。
(5)将所得EPS混凝土材料加入3D打印机，根据预设打印模型和路径打印成型。
实施例3：
本实施例提供一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，考虑以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，以粉煤灰和硅灰作为矿物掺合料，以2～3mm的阻燃EPS泡沫颗粒作为轻质骨料，以羟丙基甲基纤维素作为增稠剂，以氧化铝纤维微粉和玻璃纤维共同作为掺杂纤维进行EPS混凝土材料的制备，具体的配比如下：
(1)将混杂无机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、粉煤灰和硅灰混合，干拌至纤维均匀分散在粉料中，得到混合物料；
(2)将增稠剂、减水剂与拌和水混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；
(3)将步骤(2)所得拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在搅拌锅内低速搅拌60～120s，再高速搅拌180s～210s，得到均匀的浆料；
(4)将聚苯乙烯泡沫骨料匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述用于3D打印的耐高温轻质EPS混凝土材料。
(5)将所得EPS混凝土材料加入3D打印机，根据预设打印模型和路径打印成型。
对比例1：
本对比例提供一种普通的EPS混凝土材料，以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，以粉煤灰和硅灰作为矿物掺合料，以2～3mm的阻燃EPS泡沫颗粒作为轻质骨料，以羟丙基甲基纤维素作为增稠剂，以氧化铝纤维微粉和玻璃纤维共同作为掺杂纤维进行EPS混凝土材料的制备，具体的配比如下：
(1)将混杂无机纤维与胶凝材料、粉煤灰和硅灰混合，干拌至纤维均匀分散在粉料中，得到混合物料；
(2)将增稠剂、减水剂与拌和水混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；
(3)将步骤(2)所得拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在搅拌锅内低速搅拌60～120s，再高速搅拌180s～210s，得到均匀的浆料；
(4)将聚苯乙烯泡沫骨料匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述用于3D打印的耐高温轻质EPS混凝土材料。
(5)将所得EPS混凝土材料加入3D打印机，根据预设打印模型和路径打印成型。
对比例2：
比例2的原材料配合比与实施例2完全相同，不同的是制得EPS混凝土材料采用筑模的方式成型试块再进行性能测试。
本发明实施例与对比例的早期性能测试和成型性能测试结果如表1所示。
实施例成型性能测试试块是将养护后的3D打印EPS混凝土块切割成70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体和40mm×40mm×160mm的棱柱体进行。
本发明中流动度测试按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)进行；稠度和凝结时间测试参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2011)进行；干表观密度的测定参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12-2019)应用整体试件烘干法进行；抗压强度的测定根据《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)进行操作，试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm；抗折强度的测定根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-2021)进行操作，试件尺寸为40mm×40mm×160mm；饱和吸水率的测定参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12-2019)进行。EPS混凝土的高温实验测试参数如下：EPS混凝土试块在60℃的鼓风干燥箱中烘干至恒重，然后放入马弗炉进行测试，其中设置升温曲线以2℃/min的升温速率，从室温升至400℃，然后再400℃恒温4小时后自然冷却至室温。
表1实施例与对比例组EPS混凝土材料的早期性能指标
| 组别 | 流动度(mm) | 稠度(mm) | 初凝时间(min) |
| 实施例1 | 150 | 72 | 45 |
| 实施例2 | 158 | 90 | 50 |
| 实施例3 | 157 | 77 | 49 |
| 对比例1 | 192 | 115 | 140 |
| 对比例2 | 158 | 90 | 50 |
由表1的测试结果可以看出，EPS混凝土材料中胶凝材料的各组分的比例对EPS混凝土材料的初凝时间影响较大，初凝时间随着快硬水泥的用量增加而减小；混杂纤维的掺量、增稠剂的用量对EPS混凝土材料的流动度和稠度有较大调节作用，EPS混凝土材料的流动度随着混杂纤维掺量增加而降低，随着增稠剂用量增加而降低。其中，对比例1中EPS混凝土的胶凝材料的组成比例不合适，导致EPS混凝土材料的初凝时间过长，稠度值过大，不能用于3D打印成型。
表2实施例与对比例组EPS混凝土的干密度、吸水率和导热系数
由于对比例1的EPS混凝土材料无法实现3D打印成型，所以表2中，不显示对比例1混凝土的力学性能和耐高温性能测试数据。由表2可知，与对比例2相比，三组实施例的导热系数变化不大，说明本发明中使用的微纳米纤维和氧化铝微粉对EPS混凝土的热传导性能没有不利影响。通过表3可知，与对比例2相比，三组实施例中EPS混凝土的干密度略高，但是三组实施例的干密度增加率均低于5％，说明混杂纤维的掺量对EPS混凝土的干密度影响可以忽略不计。与对比例2相比，三组实施例中EPS混凝土的饱和吸水率均有所下降，说明三组实施例中EPS混凝土的开口孔隙率均有所降低。与对比例2相比，实施例2的饱和吸水率有明显下降，这说明本发明提出的3D打印成型EPS混凝土具有更低的饱和吸水率，侧面证明3D打印成型的EPS混凝土层间粘结性能良好。
表3实施例(打印成型)与对比例组(浇筑成型)EPS混凝土不同龄期的强度值
由于对比例1的EPS混凝土材料无法实现3D打印成型，所以表3中，不显示对比例1混凝土的力学性能和耐高温性能测试数据。表3中列出了相关文献中的3D打印混凝土与浇筑成型混凝土的抗压、抗折强度的对比数据，表中数据可以看出，文献[1–3]中3D打印成型的混凝土，垂直于打印沉积方向测得的立方体抗压强度值与垂直于打印沉积方向测得的抗压强度值相差均超过20％以上，力学性能表现出明显的各向异性。且与浇筑成型的立方体试块测得的抗压强度值相比，垂直于打印沉积方向测得的立方体抗压强度值较低，两者差值超过20％。
从表3中可知，三组实施例中，EPS混凝土均为3D打印成型，且抗压强度值与抗折强度值在打印沉积方向与垂直于层间方向测到的数据相差不超过10％，这说明本发明提出的3D打印EPS混凝土的立方体抗压强度与胶砂抗折强度没有明显的各向异性。与对比例2相比，三组实施例中，EPS混凝土7天龄期的立方体抗压强度值均高出30％以上，但是28天龄期的立方体抗压强度值均低于对比例2。与对比例2相比，三组实施例中，EPS混凝土的胶砂抗折强度均低于对比例2的抗折强度。混杂无机纤维的掺入可以有效提升3D打印EPS混凝土的7天抗压强度值，增加率随着玻璃纤维的掺量增加而增大。
[1]S.Ramakrishnan,S.Kanagasuntharam,J.Sanjayan,In-line activation ofcementitious materials for 3D concrete printing,Cem.Concr.Compos.131(2022)104598.doi:10.1016/j.cemconcomp.2022.104598.
[2]X.Wang,L.Jia,Z.Jia,C.Zhang,Y.Chen,L.Ma,Z.Wang,Z.Deng,N.Banthia,Y.Zhang,Optimization of 3D printing concrete with coarse aggregate via propermix design and printing process,J.Build.Eng.56(2022)104745.doi:10.1016/j.jobe.2022.104745.
[3]K.Pasupathy,S.Ramakrishnan,J.Sanjayan,Enhancing the properties offoam concrete 3D printing using porous aggregates,Cem.Concr.Compos.133(2022)104687.doi:10.1016/j.cemconcomp.2022.104687。
表4实施例(打印成型)与对比例组(浇筑成型)EPS混凝土高温质量损失率与高温后抗折强度下降率
由于对比例1的EPS混凝土材料无法实现3D打印成型，所以表4中，不显示对比例1混凝土的力学性能和耐高温性能测试数据。通过表4可知，与对比例2相比，三组实施例中EPS混凝土的高温质量损失率均下降；三组实施例中EPS混凝土高温后抗折强度下降率均低于对比例2组的高温后抗折强度下降率，其中实施例3中EPS混凝土高温后抗折强度下降率远低于对比例2的。由此可见，通过掺入混杂纤维到EPS混凝土材料中，不仅可以降低3D打印成型EPS混凝土的高温质量损失率，还可以有效提高EPS混凝土的高温后抗折强度下降率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都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权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于：由胶凝材料、水、增稠剂、减水剂、膨胀剂、聚苯乙烯泡沫骨料及混杂微纳无机纤维混合均匀得到，所述胶凝材料为按照质量份数由普通硅酸盐水泥100份；快硬水泥30～40份；粉煤灰25～30份；硅灰6～8份复配的胶凝体系；
所述的混杂微纳无机纤维由毫米级的无碱玻璃纤维与微米级的氧化铝纤维微粉组成，无碱玻璃纤维掺量占EPS混凝土材料的体积分数为0.15％～0.25％，氧化铝纤维微粉的掺量为胶凝材料的质量分数为2.0％～5.0％；
所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素，增稠剂的掺量为胶凝材料质量的0.1％～0.3％；
所述的膨胀剂为硫铝酸钙型混凝土膨胀剂，膨胀剂的掺量为胶凝材料质量的2.0～3.0％；
聚苯乙烯泡沫骨料是粒径为2～3mm的聚苯乙烯泡沫颗粒；
所述无碱玻璃纤维的长度为6～10毫米，直径30～50微米；所述氧化铝纤维微粉的直径范围是1～100微米，D50小于10微米。
2.根据权利要求1所述的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于：所述的快硬水泥的初凝时间小于15分钟。
3.根据权利要求1所述的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于：所述的粉煤灰45μm方孔筛筛余小于12％。
4.根据权利要求1所述的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于：所述的硅灰中氧化硅成分含量大于90％。
5.根据权利要求1所述的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于，所述的膨胀剂中铝相成分含量大于35％。
6.根据权利要求1所述的改善3D打印各向异性的耐高温EPS混凝土材料，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸类高效减水剂；减水剂的用量为胶凝材料质量的0.3％～1.0％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211580149.2A CN115784690B (zh) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | 改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211580149.2A CN115784690B (zh) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | 改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115784690A CN115784690A (zh) | 2023-03-14 |
| CN115784690B true CN115784690B (zh) | 2023-12-22 |
Family
ID=85418253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211580149.2A Active CN115784690B (zh) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | 改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115784690B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111018435A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-17 | 浙江大学 | 一种高强高韧地聚合物材料及其制备方法 |
| CN111233407A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-05 | 河北工业大学 | 一种3d打印固废混凝土构件及制备方法 |
| CN115057720A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-09-16 | 武汉大学 | 3d打印功能梯度超高性能纤维泡沫混凝土材料及制备方法 |
-
2022
- 2022-12-07 CN CN202211580149.2A patent/CN115784690B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111018435A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-17 | 浙江大学 | 一种高强高韧地聚合物材料及其制备方法 |
| CN111233407A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-05 | 河北工业大学 | 一种3d打印固废混凝土构件及制备方法 |
| CN115057720A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-09-16 | 武汉大学 | 3d打印功能梯度超高性能纤维泡沫混凝土材料及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115784690A (zh) | 2023-03-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101182178B (zh) | 自保温墙体专用砌筑砂浆 | |
| CN105218146A (zh) | 一种保温隔音低密度发泡混凝土 | |
| CN107556036B (zh) | 保温板及其制备方法 | |
| CN104829189B (zh) | 一种相变储能复合泡沫混凝土砌块 | |
| CN102010166A (zh) | 一种微膨胀无机保温砂浆制备方法 | |
| CN110372290B (zh) | 一种大掺量火山灰发泡混凝土材料及其制备方法 | |
| CN108585927A (zh) | 一种纳米纤维素气凝胶保温板及其制备方法 | |
| CN110963762A (zh) | 建筑外围护结构的泡沫混凝土及其混凝土砌块的制备方法 | |
| CN113292265A (zh) | 一种基于表面改性轻质集料及其制备方法和一种轻量混凝土 | |
| CN112062515B (zh) | 一种利用碳化硅制备的高强地聚合物闭孔发泡材料及其制备方法 | |
| CN105585330A (zh) | 一种节能保温加气混凝土砌块及其制备方法 | |
| CN101653966B (zh) | 一种自节能加气混凝土墙材专用抹面砂浆的制备方法 | |
| CN111533506A (zh) | 聚合物抗裂防水保温砂浆 | |
| CN106116422B (zh) | 一种轻质空心保温板及其制备方法 | |
| CN112062521A (zh) | 一种大体积混凝土及其制备方法 | |
| CN115784690B (zh) | 改善3d打印各向异性的耐高温eps混凝土材料及其制备方法 | |
| CN113502993B (zh) | 一种pet复合保温装饰一体化结构及其施工方法 | |
| CN115215606B (zh) | 一种适用于负温环境下的砂浆及其制备方法 | |
| CN110143788A (zh) | 保温干粉、保温浆料及其应用、建材、保温墙体 | |
| CN111662062B (zh) | 一种利用工业副产熟石膏生产的地暖模块及制备方法 | |
| CN104829261A (zh) | 一种红砂岩加气混凝土及其制备方法 | |
| CN114230280A (zh) | 一种高保温隔热轻质高强混凝土及其制备方法 | |
| CN112521123A (zh) | 一种碱式硫酸镁水泥泡沫混凝土保温材料的制备方法 | |
| CN109678424A (zh) | 一种蒸压加气混凝土砌块及其制备方法 | |
| CN110577409B (zh) | 一种建筑室内蓄能保温材料及其制备方法 |
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 |