CN116477903B - 衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 - Google Patents
衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116477903B CN116477903B CN202310452585.XA CN202310452585A CN116477903B CN 116477903 B CN116477903 B CN 116477903B CN 202310452585 A CN202310452585 A CN 202310452585A CN 116477903 B CN116477903 B CN 116477903B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- parts
- printing
- support structure
- concrete
- silane coupling
- 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
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 36
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 34
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 35
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 34
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 14
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 claims description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 14
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 12
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 12
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 10
- 239000001866 hydroxypropyl methyl cellulose Substances 0.000 claims description 8
- 229920003088 hydroxypropyl methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 8
- 235000010979 hydroxypropyl methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 8
- UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N hydroxypropyl methyl cellulose Chemical compound 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 8
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 claims description 4
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 claims description 4
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 claims description 3
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 claims description 2
- 229920006318 anionic polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 229920003090 carboxymethyl hydroxyethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000001341 hydroxy propyl starch Substances 0.000 claims description 2
- 235000013828 hydroxypropyl starch Nutrition 0.000 claims description 2
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 2
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 claims description 2
- 235000010981 methylcellulose Nutrition 0.000 claims description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 2
- FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N silanamine Chemical compound [SiH3]N FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 claims description 2
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 2
- UKRDPEFKFJNXQM-UHFFFAOYSA-N vinylsilane Chemical compound [SiH3]C=C UKRDPEFKFJNXQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003469 silicate cement Substances 0.000 abstract description 8
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000036571 hydration Effects 0.000 abstract description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract description 3
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical group CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical group NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 7
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 7
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- STCOOQWBFONSKY-UHFFFAOYSA-N tributyl phosphate Chemical group CCCCOP(=O)(OCCCC)OCCCC STCOOQWBFONSKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- CQIOFKRONDXZJC-UHFFFAOYSA-N n-methylideneprop-2-enamide Chemical group C=CC(=O)N=C CQIOFKRONDXZJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N disiloxane Chemical class [SiH3]O[SiH3] KPUWHANPEXNPJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 238000007676 flexural strength test Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- DZSVIVLGBJKQAP-UHFFFAOYSA-N 1-(2-methyl-5-propan-2-ylcyclohex-2-en-1-yl)propan-1-one Chemical compound CCC(=O)C1CC(C(C)C)CC=C1C DZSVIVLGBJKQAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical group CO[Si](OC)(OC)CCCOC(=O)C(C)=C XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229920001732 Lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical compound CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CNCOEDDPFOAUMB-UHFFFAOYSA-N N-Methylolacrylamide Chemical compound OCNC(=O)C=C CNCOEDDPFOAUMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 125000003368 amide group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000010668 complexation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- DCNHVBSAFCNMBK-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1-sulfonic acid;hydrate Chemical compound O.C1=CC=C2C(S(=O)(=O)O)=CC=CC2=C1 DCNHVBSAFCNMBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000989 no adverse effect Toxicity 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011151 potassium sulphates Nutrition 0.000 description 1
- SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N silanol Chemical compound [SiH3]O SCPYDCQAZCOKTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021487 silica fume Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
- C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
- C04B28/04—Portland cements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
- C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
- C04B2111/00724—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 in mining operations, e.g. for backfilling; in making tunnels or galleries
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/34—Non-shrinking or non-cracking materials
- C04B2111/343—Crack resistant materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
- C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Abstract
本发明公开了衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土，各组分按质量配比为硅酸盐水泥1500‑2000份、掺合料0‑500份、细骨料2400‑4600份、两元聚合物单体20‑100份、交联剂0.02‑0.5份、引发剂0.4‑5份、硅烷偶联剂2‑10份、消泡剂3‑5份、减水剂10‑30份、增稠剂2‑20份、拌和水700‑1200份和氢氧化钠0‑40份。本发明采用上述成分的衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土及其制备方法，利用两元聚合物单体以及水解后的硅烷偶联剂构建柔性双有机网络前驱体，通过原位聚合法在硅酸盐水泥水化过程中与之同步聚合成同基体均匀互穿的柔性双有机网络，从而提高3D打印混凝土对微裂纹的阻抑能力，增强力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及3D混凝土技术领域，特别是涉及衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土及其制备方法。
背景技术
我国已成为名副其实的隧道大国。然而，现有隧道衬砌结构与施工方法面临脱空开裂、整体性差、衬砌结构设计方法单一、刚度非均匀变化、防水体系施工复杂等难题。建筑3D打印是应用机电一体化技术通过挤出/喷射成型的方式将混凝土建造成三维结构的增材建造技术。作为一种典型的智能建造技术，3D打印为隧道工程建设过程中的效率低、质量不可控等瓶颈问题提供了全新的解决方案。但是，3D打印混凝土材料也面临着高强度、高韧性、高抗裂的重大工程需求。
新拌混凝土拌合物从打印喷头持续挤出并堆叠建造的过程中，不可避免会引入一定量的空隙并导致打印结构的细观非均质性，同时也在打印层与层之间造成粘结弱面，并在力学性能上，呈现出显著的各向异性。此外，打印喷嘴及可打印性的要求限制了粗骨料的使用，加之无模板化的建造方式以及试件较高的表面体积比，使得混凝土材料由于过快的蒸发速率而出现较高的早期失水率和干燥收缩率，进而导致裂纹的产生。
许多学者采用轮廓打印配合钢筋笼、网片筋、同步打印加筋等方法以提高3D打印混凝土的裂纹阻抑及抗弯性能。然而，传统阻裂增韧方法无法从材料本身提高其韧性，且加筋过多会因界面问题造成开裂。因此，提高3D打印混凝土材料的“全局均匀”断裂韧性，改善打印材料的裂纹阻抑性能，始终是国内外研究人员面临的重要瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的是提供衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土及其制备方法，改善3D打印混凝土的裂纹阻逆及抗弯性能。
为实现上述目的，本发明提供了衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土及其制备方法，各组分按质量配比为硅酸盐水泥1500-2000份、掺合料0-500份、细骨料2400-4600份、两元聚合物单体20-100份、交联剂0.02-0.5份、引发剂0.4-5份、硅烷偶联剂2-10份、消泡剂3-5份、减水剂10-30份、增稠剂2-20份、拌和水700-1200份和氢氧化钠0-40份。
优选的，所述硅烷偶联剂为氨基类硅烷偶联剂、环氧基类硅烷偶联剂和乙烯基硅烷偶联剂中的一种或多种。
优选的，组分中还包括用量为硅酸盐水泥体积分数0.2％-1.5％的纤维，所述纤维为聚丙烯纤维和聚乙烯纤维中的一种或多种。
优选的，所述两元聚合物单体为阴离子型聚合物单体和非离子型烯类单体中的一种或多种。
优选的，所述增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和淀粉醚增稠剂中的一种或多种。
优选的，所述消泡剂为有机物消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚改性有机硅型消泡剂的一种或多种。
优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐减水剂、聚羧酸系高性能减水剂的一种或几种。
优选的，所述引发剂为偶氮类引发剂、过氧化二苯甲酰、过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或多种。
优选的，所述掺合料为粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉中的一种或多种。
衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土制备方法，S1、按质量份数称取硅酸盐水泥1500-2000份、掺合料0-500份、细骨料2400-4600份、两元聚合物单体20-100份、交联剂0.02-0.5份、引发剂0.4-5份、硅烷偶联剂2-10份、消泡剂3-5份、减水剂10-30份、增稠剂2-20份、拌和水700-1200份和氢氧化钠0-40份，硅酸盐水泥体积分数为0.2％-1.5％的纤维；
S2、将硅酸盐水泥1500-2000份、掺合料0-500份、细骨料2400-4600份和增稠剂2-20份倒入搅拌机中混合得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数为0.2％-1.5％的纤维分三次加入固体混合物中，搅拌均匀得到干料混合物；
S3、将硅烷偶联剂2-10份加入拌和水700-1200份中，室温下搅拌2-24h，再依次加入两元聚合物单体20-100份和交联剂0.02-0.5份，室温下磁力搅拌得到混合溶液；
S4、将S3中的混合溶液放入真空干燥箱中，室温下0.1atm除氧5-10min，再加入引发剂0.4-5份，室温下搅拌得到双有机网络前驱体溶液；
S5、向S4中得到的双有机网络前驱体溶液中加入消泡剂3-5份、减水剂10-30份，室温下磁力搅拌后立即倒入S2中的干料混合物中，匀速搅拌得到3D打印混凝土；
S6、在相关打印参数下进行打印，得到衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的成型试件，待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
因此，本发明采用上述成分的衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土及其制备方法，其有益效果为：
1、利用两元聚合物单体以及水解后的硅烷偶联剂构建柔性双有机网络前驱体，通过原位聚合法在硅酸盐水泥水化过程中与之同步聚合成与硅酸盐水泥基体均匀互穿的柔性双有机网络，从而提高3D打印混凝土对微裂纹的阻抑能力；
2、两元聚合物中多元单体在硅酸盐水泥基体中同步交联成高分子均聚结构或嵌段结构，聚合而成的均聚或嵌段高分子链能够与C-S-H凝胶产生键合作用，并与分子链中的酰胺基团、氨基等基团、水解后硅烷偶联剂产生的氢键交联，诱导硅烷偶联剂有序分布，增强3D打印混凝土的微观结构；
3、水解后的硅烷偶联剂发生缩合反应，硅烷偶联剂水解后生成硅醇，并进一步脱水缩合生成低聚硅氧烷，低聚硅氧烷与原位聚合生成的高分子网络相互缠结形成低聚物网络，进而构建兼具柔性与硅酸盐水泥水化促进性的柔性双有机网络结构；
4、硅烷偶联剂的缩聚产物与Ca(OH)2发生二次水化反应，进一步促进硅酸盐水泥基的水化，获得更加致密的微观结构，有助于3D打印混凝土力学性能的持续增强；
5、双有机网络在硅酸盐水泥水化过程中同步构建，其中高分子均聚结构或嵌段结构与无机C-S-H凝胶网络均匀互穿，并通过羧基与金属离子产生络合作用相互增强，突破相分离难题；
6、硅酸盐水泥、掺合料、细骨料、纤维、拌和水以及减水剂、消泡剂和增稠剂的配合比设计，使得衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土达到优异的可泵性、可打印性与可建造性。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
S1、按质量份数称取硅酸盐水泥1600份、掺合料400份、细骨料3400份、两元聚合物单体60份、交联剂0.07份、引发剂2.3份、硅烷偶联剂4份、消泡剂3份、减水剂10份、增稠剂4份、拌和水1000份和氢氧化钠16.32份，硅酸盐水泥体积分数0.2％的纤维。
其中，掺合料为一级粉煤灰，细骨料为80目石英砂，增稠剂为羟丙基甲基纤维素，硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷，交联剂为N,N-亚甲基丙烯酰胺，引发剂为过硫酸钾，消泡剂为磷酸三丁酯，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
两元聚合物单体为丙烯酰胺单体和丙烯酸单体，混合比例为摩尔比1：1，丙烯酰胺单体的用量为14.9份，丙烯酸单体的用量为15.1份。
纤维为聚丙烯纤维，长度9mm、直径20μm。
S2、将硅酸盐水泥1600份、一级粉煤灰400份、石英砂3400份和羟丙基甲基纤维素4份倒入搅拌机中混合10min得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数0.2％的聚丙烯纤维分三次加入固体混合物中搅拌10min，搅拌均匀得到干料混合物。
S3、将3-氨丙基三乙氧基硅烷4份加入拌和水1000份中，室温下500rpm磁力搅拌12h至3-氨丙基三乙氧基硅烷水解。再依次加入两元聚合物单体60份、氢氧化钠16.32份和N,N-亚甲基丙烯酰胺0.07份，室温下600rpm磁力搅拌10min得到混合溶液。
S4、将S3中的混合溶液放入真空干燥箱中，室温下0.1atm除氧10min，再加入硫酸钾2.3份，室温下300rpm搅拌2min，得到柔性双有机网络前驱体溶液。
S5、向S4中得到的柔性双有机网络前驱体溶液中加入磷酸三丁酯3份、聚羧酸系高性能减水剂10份，室温下300rpm磁力搅拌3min后立即倒入S2中的干料混合物中，匀速搅拌6min得到3D打印混凝土。
S6、在相关打印参数下进行打印，打印参数为挤出速率9.4cm3/s、水平打印速率30mm/s、打印头喷口20mm、逐层高度8mm，得到衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的成型试件。
待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
实施例2
本实施例与实施例1中的不同在于，两元聚合物单体为丙烯酰胺单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体，混合比例为摩尔比1：1，氢氧化钠用量为8.45份，其余均与实施例1中保持一致。
实施例3
本实施例与实施例1中的不同在于，两元聚合物单体为N-羟甲基丙烯酰胺单体和甲基丙烯酸单体，用量为60份，混合比例为摩尔比1：1，氢氧化钠用量为14.97份，其余均与实施例1中保持一致。
实施例4
本实施例与实施例1中的不同在于，两元聚合物单体为丙烯酰胺单体和丙烯酸单体，混合比例为摩尔比0.8：0.2，氢氧化钠用量为6.69份，其余均与实施例1中保持一致。
其中，丙烯酰胺单体的用量为47.87份，丙烯酸单体的用量为12.13份。
实施例5
本实施例与实施例1中的不同在于，硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其余均与实施例1中保持一致。
实施例6
本实施例与实施例1中的不同在于，硅烷偶联剂的用量为10份，其余均与实施例1中保持一致。
实施例7
本实施例与实施例1中的不同在于，引发剂的用量为1.15份，其余均与实施例1中保持一致。
实施例8
本实施例与实施例1中的不同在于，交联剂的用量为0.21份，其余均与实施例1中保持一致。
实施例9
本实施例与实施例1中的不同在于，两元聚合物单体的用量为20份，氢氧化钠用量为5.48份，其余均与实施例1中保持一致。
其中，丙烯酰胺单体的用量为9.93份，丙烯酸单体用量为10.07份。
实施例10
本实施例与实施例1中的不同在于，将3-氨丙基三乙氧基硅烷4份加入拌和水1000份中，室温下500rpm磁力搅拌24h至3-氨丙基三乙氧基硅烷水解，其余均与实施例1中保持一致。
实施例11
本实施例与实施例1中的不同在于，硅酸盐水泥体积分数0.1％的纤维，其余均与实施例1中保持一致。
实施例12
参照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对实施例1-11和对比例1-4的混凝土试件进行抗压、抗弯强度测试，结果见表1。
表1、混凝土试件抗压、抗弯强度测试表
如表1所示，由于对比例1-4中未加入由两元聚合物单体和硅烷偶联剂组成的“柔性双有机网络”，因此，实施例1-11中的抗弯强度显著高于对比例1-4中的抗弯强度，且“柔性双有机网络”的掺入对抗压强度无不利影响。
对比例1
S1、将1600份硅酸盐水泥、400份一级粉煤灰、3400份80目石英砂和4份羟丙基甲基纤维素倒入搅拌机中混合10min得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数0.2％的聚丙烯纤维分三次加入固体混合物中搅拌10min，搅拌均匀得到干料混合物。
其中，聚丙烯纤维的长度为9mm、直径20μm。
S2、将3份磷酸三丁酯、10份聚羧酸系高性能减水剂加入1000份拌和水中，室温经300rpm磁力搅拌3min得到混合液。
S3、将S2中的混合液倒入S1中的干料混合物中匀速搅拌6min，搅拌速度无特殊要求。随即进行打印，打印参数为挤出速率9.4cm3/s、水平打印速率30mm/s、打印头喷口20mm、逐层高度8mm，在该参数下进行打印，得到3D打印混凝土的成型试件。
待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
对比例2
S1、将1600份硅酸盐水泥、400份一级粉煤灰、3400份80目石英砂和4份羟丙基甲基纤维素倒入搅拌机中混合10min得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数0.2％的聚丙烯纤维分三次加入固体混合物中搅拌10min，搅拌均匀得到干料混合物。
其中，聚丙烯纤维的长度为9mm、直径20μm。
S2、将4份3-氨丙基三乙氧基硅烷加入1000份的拌和水中，室温下经500rpm磁力搅拌匀速搅拌12h至3-氨丙基三乙氧基硅烷水解，得到3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液。
S3、向S2中的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液加入3份磷酸三丁酯、10份聚羧酸系高性能减水剂，室温经300rpm磁力搅拌3min得到混合液。随后将混合液立即倒入S1中的干料混合物中匀速搅拌6min，搅拌速度无特殊要求。
S4、在相关打印参数下进行打印，打印参数为挤出速率9.4cm3/s、水平打印速率30mm/s、打印头喷口20mm、逐层高度8mm，在该参数下进行打印，得到3D打印混凝土的成型试件。待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
对比例3
S1、将1600份硅酸盐水泥、400份一级粉煤灰、3400份80目石英砂和4份羟丙基甲基纤维素倒入搅拌机中混合10min得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数0.2％的聚丙烯纤维分三次加入固体混合物中搅拌10min，搅拌均匀得到干料混合物。
其中，聚丙烯纤维的长度为9mm、直径20μm。
S2、将60份按照1:1的摩尔比混合的丙烯酰胺单体和丙烯酸单体加入1000份拌和水中，加入16.32份的氢氧化钠。随后加入0.07份的N,N-亚甲基丙烯酰胺，室温经600rpm磁力搅拌10min，完全溶解后置于真空干燥箱中，室温下0.1atm除氧10min。随后加入2.3份过硫酸钾，室温下300rpm搅拌2min，得到高分子聚合物前驱体溶液。
其中，丙烯酰胺用量为14.9份，丙烯酸用量15.1份。
S3、向S2中的高分子聚合物前驱体溶液中加入3份磷酸三丁酯、10份聚羧酸系高性能减水剂，室温经300rpm磁力搅拌3min后立即倒入S1中的干料混合物中匀速搅拌6min，搅拌速度无特殊要求。
S4、在相关打印参数下进行打印，打印参数为挤出速率9.4cm3/s、水平打印速率30mm/s、打印头喷口20mm、逐层高度8mm，得到3D打印混凝土的成型试件。待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
对比例4
S1、将1600份硅酸盐水泥、400份一级粉煤灰、3400份80目石英砂和4份羟丙基甲基纤维素倒入搅拌机中混合10min得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数0.2％的聚丙烯纤维分三次加入固体混合物中搅拌10min，搅拌均匀得到干料混合物。
其中，聚丙烯纤维的长度为9mm、直径20μm。
S2、将4份3-氨丙基三乙氧基硅烷加入1000份的拌和水中，室温下经500rpm磁力搅拌匀速搅拌12h至3-氨丙基三乙氧基硅烷水解，得到3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液。
S3、在S2中的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液加入3份磷酸三丁酯、10份聚羧酸系高性能减水剂，室温经300rpm磁力搅拌3min立即倒入S1中的干料混合物中匀速搅拌6min，搅拌速度无特殊要求。
S4、在相关打印参数下进行打印，打印参数为挤出速率9.4cm3/s、水平打印速率30mm/s、打印头喷口20mm、逐层高度8mm，得到3D打印混凝土的成型试件。待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60％条件下静停6h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护至28d。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：步骤如下，
S1、按质量份数称取硅酸盐水泥1500-2000份、掺合料0-500份、细骨料2400-4600份、两元聚合物单体20-100份、交联剂0.02-0.5份、引发剂0.4-5份、硅烷偶联剂2-10份、消泡剂3-5份、减水剂10-30份、增稠剂2-20份、拌和水700-1200份和氢氧化钠0-40份，硅酸盐水泥体积分数0.2%-1.5%的纤维；
S2、将硅酸盐水泥1500-2000份、掺合料0-500份、细骨料2400-4600份和增稠剂2-20份倒入搅拌机中混合得到固体混合物，再将硅酸盐水泥体积分数为0.2%-1.5%的纤维分三次加入固体混合物中，搅拌均匀得到干料混合物；
S3、将硅烷偶联剂2-10份加入拌和水700-1200份中，室温下搅拌2-24 h，再依次加入两元聚合物单体20-100份、氢氧化钠0-40份和交联剂0.02-0.5份，室温下磁力搅拌得到混合溶液；
S4、将S3中的混合溶液放入真空干燥箱中，室温下0.1 atm除氧5-10 min，再加入引发剂0.4-5份，室温下搅拌得到双有机网络前驱体溶液；
S5、向S4中得到的双有机网络前驱体溶液中加入消泡剂3-5份、减水剂10-30份，室温下磁力搅拌后立即倒入S2中的干料混合物中，匀速搅拌得到3D打印混凝土；
S6、在相关打印参数下进行打印，得到衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的成型试件，待成型试件打印完成后，在室温、相对湿度60%条件下静停6 h，随后将试件放置环境温度为20±2℃，相对湿度为95%的环境中养护至28 d。
2.根据权利要求1所述的一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为氨基类硅烷偶联剂、环氧基类硅烷偶联剂和乙烯基硅烷偶联剂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：所述纤维为聚丙烯纤维和聚乙烯纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：所述两元聚合物单体为阴离子型聚合物单体和非离子型烯类单体中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：所述增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和淀粉醚增稠剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种衬砌支护结构的3D打印强韧混凝土的制备方法，其特征在于：所述消泡剂为有机物消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚改性有机硅型消泡剂中的一种或多种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310452585.XA CN116477903B (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310452585.XA CN116477903B (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116477903A CN116477903A (zh) | 2023-07-25 |
| CN116477903B true CN116477903B (zh) | 2024-05-31 |
Family
ID=87217389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310452585.XA Active CN116477903B (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116477903B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017114375A1 (zh) * | 2015-12-31 | 2017-07-06 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 一种水泥基材料增强剂及其制备方法和应用 |
| CN108706934A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-10-26 | 江苏省苏安能节能建材科技有限公司 | 一种保温柔性饰面砖及其制备方法 |
| CN113501699A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-15 | 河北工业大学 | 一种高韧性化混凝土3d打印复合材料及其协调打印工艺 |
| CN114292073A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-04-08 | 河北工业大学 | 一种可3d打印风积沙抗冻混凝土及其制备方法和使用方法 |
| CN115093182A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-09-23 | 青岛理工大学 | 一种原位有机-无机聚合改性水泥基复合材料及其制备方法 |
| CN115536299A (zh) * | 2022-10-21 | 2022-12-30 | 东南大学 | 一种有机-无机复合增韧材料及其在混凝土中的应用 |
| CN115557753A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-01-03 | 陕西智诚旭隆智造有限公司 | 一种高强度抗腐蚀混凝土预制管桩及其制备方法 |
-
2023
- 2023-04-25 CN CN202310452585.XA patent/CN116477903B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017114375A1 (zh) * | 2015-12-31 | 2017-07-06 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 一种水泥基材料增强剂及其制备方法和应用 |
| CN108706934A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-10-26 | 江苏省苏安能节能建材科技有限公司 | 一种保温柔性饰面砖及其制备方法 |
| CN113501699A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-15 | 河北工业大学 | 一种高韧性化混凝土3d打印复合材料及其协调打印工艺 |
| CN114292073A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-04-08 | 河北工业大学 | 一种可3d打印风积沙抗冻混凝土及其制备方法和使用方法 |
| CN115093182A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-09-23 | 青岛理工大学 | 一种原位有机-无机聚合改性水泥基复合材料及其制备方法 |
| CN115536299A (zh) * | 2022-10-21 | 2022-12-30 | 东南大学 | 一种有机-无机复合增韧材料及其在混凝土中的应用 |
| CN115557753A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-01-03 | 陕西智诚旭隆智造有限公司 | 一种高强度抗腐蚀混凝土预制管桩及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 3D打印混凝土各向异性力学性能研究;王里;王伯林;白刚;马国伟;;实验力学;20200415(第02期);第64-71页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116477903A (zh) | 2023-07-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109851298B (zh) | 电磁屏蔽水泥板及其半干法制备工艺 | |
| CN114560656A (zh) | 一种双尺度增韧水泥基复合材料及其应用 | |
| CN108409235B (zh) | 一种超高性能纤维混凝土及其制备方法 | |
| CN110357494A (zh) | 一种人造石材及其制备方法 | |
| CN113816690A (zh) | 混凝土修复材料及其制备方法 | |
| CN109608134B (zh) | 一种水泥板及其半干法制备工艺 | |
| CN115304311A (zh) | 一种超高性能混凝土及其制备方法 | |
| CN116477903B (zh) | 衬砌支护结构的3d打印强韧混凝土及其制备方法 | |
| CN108083725B (zh) | 一种聚合物改性水泥基复合板材及其制备方法 | |
| CN114395086A (zh) | 一种瓷砖粘结剂及其制备方法和在uhpc预制装饰板反打工艺中的应用 | |
| CN113548856A (zh) | 一种防开裂硅酸盐水泥复合浆料及其制备方法 | |
| CN110922112B (zh) | 一种改性竹原纤维增强水泥砂浆及其制备方法 | |
| CN116102324A (zh) | 一种多级互穿网络改性水泥基复合材料及其制备方法 | |
| CN104829208A (zh) | 一种硫氧镁胶凝材料的制备方法 | |
| CN115368080B (zh) | 一种纤维预应力uhpc装饰板及其制备方法 | |
| CN113968705B (zh) | 一种桥面铺装用多元胶凝体系stc超高韧性混凝土材料 | |
| CN112225850A (zh) | 在强力混合下高稳定性粉体聚羧酸减水剂的制备方法 | |
| CN111908852A (zh) | 一种预制构件用混凝土及其制备方法 | |
| CN115368091B (zh) | 受弯构件快速加固用早强超高性能水泥基材料及制备方法 | |
| CN113968692B (zh) | 一种高强混凝土降粘型聚羧酸减水剂及其制备方法 | |
| CN113512139B (zh) | 羧基丁苯胶乳、水泥基花岗岩板及其制备方法 | |
| CN112939505B (zh) | 一种季铵型聚羧酸减水剂及其泡沫混凝土 | |
| CN116199481B (zh) | 一种收缩性低的超高性能混凝土及其制备方法 | |
| CN116639940A (zh) | 一种高性能水泥砂料及其制备方法 | |
| CN115488996B (zh) | 一种改性木屑增强水泥基复合材料的制备方法 |
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 |