一種3d打印水泥基材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種3D打印水泥基材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材 料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。現(xiàn)在，3D打印技術(shù)已開(kāi)始嘗試用于房屋的建 造。與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比，3D打印建筑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：速度快一可比傳統(tǒng)建筑技術(shù)快 10倍以上；可以制造出傳統(tǒng)方式很難建造的復(fù)雜多樣化建筑，且無(wú)需使用模板，降低了建 筑成本；不需數(shù)量龐大的建筑工人，降低了施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)；并且減少了廢棄副產(chǎn)品，可 以有效的利用建筑材料，大大減少水泥需求量，同時(shí)可減少建筑垃圾，具有低碳、綠色、環(huán)保 的特點(diǎn)。
[0003] 由于建筑物自身的特點(diǎn)，建筑物在打印制造過(guò)程中及制造完成后，對(duì)所用材料的 施工性能、力學(xué)性能、功能性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等有特定的要求，就目前情況而言，水泥混 凝土依然是制造建筑物的首選，但由于打印建筑采用無(wú)模板、擠出并疊加成型的施工方式， 對(duì)建筑材料的性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的水泥混凝土并不適合用作3D打印建筑材料。
[0004] 首先打印所用水泥基材料須具有良好的可擠出性，從打印水泥基材料擠出原理分 析可知，打印水泥基材料同時(shí)具有自密實(shí)和可輸送的流變性能，利用自密實(shí)性可以擠出打 印連續(xù)條，可輸送性能能確保打印材料在管道中連續(xù)傳輸；另外配置漿體中顆粒大小由打 印頭的大小決定，應(yīng)嚴(yán)格限制大顆粒集料的出現(xiàn)，以防打印過(guò)程中發(fā)生堵塞。其次，材料要 有良好的可建造性，打印條從打印頭擠出后要有足夠的硬度不發(fā)生變形，并且具有足夠的 強(qiáng)度支撐粘結(jié)在其上的打印層而不變形、不坍塌；另外，打印水泥基材料應(yīng)具有良好的粘聚 性，可以保證打印材料能夠形成良好的條狀，并且在打印過(guò)程中不發(fā)生間斷，還能改善層與 層間的粘結(jié)，減少性能薄弱的層間過(guò)渡區(qū)域。最后，打印材料需具有足夠的可操作時(shí)間，一 方面使材料具有足夠長(zhǎng)時(shí)間的可施工性，另一方面在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，使材料可以保持良好 的新拌性能如好的可擠出性、可建造性和粘結(jié)性等。
[0005] 由于3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的施工方式，與傳統(tǒng)水泥混凝土相比，對(duì)3D打印混 凝土提出了更高、更全面地要求，性能也發(fā)生了巨大變化，因此為適應(yīng)3D打印技術(shù)在建筑 中的應(yīng)用，首要解決的問(wèn)題是制備出符合3D打印建筑技術(shù)需要的具有良好工作性能、可建 造性能、力學(xué)性能和耐久性能的打印水泥基材料，楊錢(qián)榮等人設(shè)計(jì)一系列方法來(lái)評(píng)價(jià)3D打 印建筑砂漿的施工性能和可建造性，如通過(guò)簡(jiǎn)易裝置測(cè)試評(píng)價(jià)打印建筑砂漿的擠出時(shí)間、 可操作時(shí)間；通過(guò)測(cè)試打印混凝土的塑性變形（下垂度、側(cè)向變形率）及打印建筑砂漿層 間銜接性能來(lái)評(píng)價(jià)其的可建造性能，見(jiàn)專(zhuān)利中國(guó)申請(qǐng)201410558243. 7, 201410558262. X和 201410558245. 6,這些方法可用于評(píng)價(jià)3D打印建筑材料的相關(guān)性能，也為3D打印混凝土材 料的設(shè)計(jì)與制備提供了基礎(chǔ)。
[0006] 中國(guó)專(zhuān)利CN104310918A公開(kāi)了一種用于3D打印技術(shù)的水泥基復(fù)合材料及其制備 方法和用途，包括占組合物總重量33%~40 %的水泥，O%~8 %的無(wú)機(jī)粉料、32%~38 % 的尾礦機(jī)制砂，2. 5 %~3%的高分子聚合物，0. 1 %~0. 5%的減水劑和16. 7%~20%的 拌和水，混合物通過(guò)添加復(fù)合調(diào)凝劑、觸變劑及體積穩(wěn)定劑等制備成無(wú)機(jī)復(fù)合材料，后續(xù)可 直接泵入建筑用3D打印機(jī)中應(yīng)用于施工。雖然該專(zhuān)利測(cè)試了水泥基材料的一些常規(guī)的性 能如凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和豎向膨脹率，但這些性能難以真實(shí)反映在新施工方式下打印材 料的施工性能和可建造性，如該材料以硫鋁酸鹽水泥為主要膠凝材料，這樣可使材料具有 很高的早期強(qiáng)度和快速凝結(jié)功能，通過(guò)復(fù)合調(diào)凝劑調(diào)節(jié)材料的凝結(jié)時(shí)間，使其凝結(jié)時(shí)間在 10-60min范圍內(nèi)，對(duì)于一般快速法施工而言，可基本滿(mǎn)足施工要求，但對(duì)擠出法打印施工來(lái) 說(shuō)，由于硫鋁酸鹽水泥漿體流動(dòng)性損失很快，會(huì)導(dǎo)致擠出性能和可建造性能差，材料極易在 輸送和打印時(shí)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重影響打印層與層之間的銜接性能，使得打印層 與層間之間出現(xiàn)很多缺陷，給建筑留下安全隱患。
[0007] 針對(duì)3D建筑材料及其施工方法的特點(diǎn)，以及現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明基于 前期提出的3D打印建筑材料評(píng)價(jià)方法，提出一種能滿(mǎn)足工作性能（擠出時(shí)間、可操作時(shí)間） 要求，可建造性能（下垂度、側(cè)向變形率、層銜接性能）、力學(xué)性能和耐久性能良好的3D打印 水泥基材料及其制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有良好工作 性能、可建造性能、力學(xué)性能和耐久性能的3D打印水泥基材料及其制備方法。
[0009] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0010] 一種3D打印水泥基材料，采用粉狀膠凝材料和骨料組成，所述的粉狀膠凝材料 由水泥、活性摻合料、減水劑、早強(qiáng)劑、調(diào)凝劑、膨脹劑、粘結(jié)劑、引氣劑、保塑劑、憎水劑、淀 粉醚、粉末填料和纖維組成，所述的骨料由細(xì)骨料和粗骨料組成，采用以下組分及重量份含 量：
[0011] 水泥100，活性摻合料0-80，減水劑0. 01-5，早強(qiáng)劑0. 01-10，調(diào)凝劑0. 01-5， 膨脹劑〇. 1-25,粘結(jié)劑0-5,引氣劑0-1，保塑劑0. 01-25,憎水劑0-5,淀粉醚0-2,纖維 0. 01-0. 5,粉末填料 0-150，
[0012] 細(xì)骨料 50-300，粗骨料 0-400。
[0013] 優(yōu)選的，采用以下組分及重量份含量的原料制備得到：
[0014] 水泥100,活性摻合料20-60,減水劑0. 2-3,早強(qiáng)劑0. 1-5,調(diào)凝劑0. 1-3,膨脹劑 5-15,粘結(jié)劑0· 5-3,引氣劑0· 01-0. 5,保塑劑0· 03-10,憎水劑0· 05-2,淀粉醚0· 01-0. 5,纖 維0. 05-0. 3,粉末填料30-80，
[0015] 細(xì)骨料 100-200,粗骨料 200-300。
[0016] 所述的水泥選自硅酸鹽水泥、礦渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥中的一種或幾 種；
[0017] 所述的活性摻合料選自粉煤灰、礦渣粉、硅灰或鋼渣粉中的一種或幾種；
[0018] 所述的減水劑選自木質(zhì)素磺酸鹽、β -甲基萘磺酸鹽縮聚物、三聚氰胺甲醛縮聚物 或聚羧酸鹽減水劑中的一種或幾種；
[0019] 所述的早強(qiáng)劑選自硫酸鈉、硅酸鈉、偏硅酸鈉、甲酸鈣、碳酸鋰或氯化鈣中的一種 或幾種。
[0020] 所述調(diào)凝劑選自碳酸鈉、鋁酸鈉、檸檬酸及其鹽類(lèi)中的一種或幾種；
[0021] 所述膨脹劑為鈣礬石或氧化鈣類(lèi)膨脹劑；
[0022] 所述粘結(jié)劑為可再分散乳膠粉。
[0023] 優(yōu)選的，可再分散乳膠粉選自乙烯與氯乙烯及月桂酸乙烯酯三元共聚膠粉，醋酸 乙烯酯與乙烯及高級(jí)脂肪酸乙烯酯三元共聚膠粉，醋酸乙烯酯與高級(jí)脂肪酸乙烯酯共聚膠 粉，丙烯酸酯與苯乙烯共聚膠粉，醋酸乙烯酯與丙烯酸酯及高級(jí)脂肪酸乙烯酯三元共聚膠 粉，醋酸乙烯酯均聚膠粉或苯乙烯與丁二烯共聚膠粉中的一種或幾種。
[0024] 所述引氣劑為松香樹(shù)脂類(lèi)的鈉鹽化合物、脂肪酸鹽類(lèi)化合物、磺化碳?xì)浠衔铩⑼?基一苯甲基磺酸鹽類(lèi)化合物、皂素類(lèi)表面活性劑中的一種或幾種混合物；
[0025] 所述的保塑劑選自硅藻土、甲基纖維素、甲基羥乙基纖維素醚、甲基羥丙基纖維素 醚、羧甲基纖維素或木質(zhì)纖維素中的一種或幾種；
[0026] 所述憎水劑為有機(jī)硅防水劑粉末、硬脂酸鹽中的一種或兩種。
[0027] 所述淀粉醚為普通淀粉醚或改性淀粉醚；
[0028] 所述粉末填料為石英粉、碳酸鈣粉、灰鈣粉、陶土或滑石粉中的一種或幾種；
[0029] 所述纖維為聚丙烯纖維、耐堿玻璃纖維或玄武巖纖維中的一種或幾種。
[0030] 所述細(xì)骨料為石英砂、陶砂、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、玻化微珠、聚苯乙烯泡沫顆粒 或沸石中的一種或幾種；
[0031] 所述粗骨料為碎石或卵石。
[0032] 3D打印水泥基材料的制備方法，采用以下步驟：
[0033] (1)按配方稱(chēng)取原材料，在攪拌機(jī)中依次加入粉末填料、水泥、活性摻合料、減水 劑、早強(qiáng)劑、調(diào)凝劑、膨脹劑、粘結(jié)劑、引氣劑、保塑劑、憎水劑、淀粉醚和纖維，充分?jǐn)嚢杈?勻，得到粉狀膠凝材料；
[0034] (2)按比例稱(chēng)取骨料放入攪拌機(jī)與粉狀膠凝材料混合均勻后，按所需用水量加水 攪拌均勻，制得打印混凝土或打印砂漿，即可進(jìn)行打印施工。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] (1)該材料施工性能好，操作簡(jiǎn)便，可操作時(shí)間長(zhǎng)。該材料加水?dāng)嚢杓纯墒褂?，適合 用于無(wú)模板3D打印擠出法施工。
[0037] (2)該材料具有優(yōu)良的可建造性能。該材料新拌漿體具有很好的塑性、粘附力和抗 塑性變形性能，層疊加施工不會(huì)出現(xiàn)流淌、坍塌現(xiàn)象、打印構(gòu)件側(cè)向變形可控，打印層與層 之間可形成良好銜接，不會(huì)因銜接不良導(dǎo)致打印的建筑構(gòu)件存在很多層間空隙，給建筑物 留下安全隱患。
[0038] (3)該材料