本发明属于砂浆材料领域,具体涉及一种3D打印砂浆用组合物、3D打印砂浆及其制备方法。本发明的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,黄河特细砂16,20份、中砂70,74份、水泥82,86份、粉煤灰9,11份、硅灰5,7份、非晶质铝酸钙0.9,1.1份、减水剂0.10,0.12份、增稠剂0.008,0.012份。本发明各组分配比合理、协同作用,用于3D打印砂浆配制后,不仅具有优异的流动性、挤出性,适宜的开放时间,而且具有良好的可建造性和强度,3D打印后能够有效提高打印构件的整体密实性,提高其力学性能和耐久性,减小打印构件收缩开裂的风险,在3D打印领域具有良好的应用前景。
2.如权利要求1所述的3D打印砂浆用组合物,其特征在于,由以下重量份数的组分组成,黄河特细砂18份、中砂72份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂
4.如权利要求1或2所述的3D打印砂浆用组合物,其特征在于,所述中砂为天然砂或机制砂,所述中砂的细度模数为2.3,2.4,含泥量(3)。
5.如权利要求1或2所述的3D打印砂浆用组合物,其特征在于,所述水泥为普通硅酸盐水泥,所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,所述硅灰的细度为1500‑2000目,硅灰中二氧化硅的含量(90)。
6.如权利要求1或2所述的3D打印砂浆用组合物,其特征在于,所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
7.如权利要求1或2所述的3D打印砂浆用组合物,其特征在于,所述增稠剂为羧丙基甲基纤维素,增稠剂的100目通过率大于98.5,。
8.一种3D打印砂浆,其特征在于,由水和如权利要求1所述的3D打印砂浆用组合物组成。
9.如权利要求8所述的3D打印砂浆,其特征在于,所述3D打印砂浆中,胶凝材料为水泥、粉煤灰和硅灰,水胶比为0.34,0.36。
10.如权利要求8或9所述的3D打印砂浆的制备方法,其特征在于,包括以下步骤,
(1)取过筛除杂、清洗、晾晒处理后的黄河特细砂备用,另将减水剂和增稠剂于水中搅拌溶解,得混合液,
(2)将黄河特细砂、中砂、水泥、粉煤灰、硅灰、非晶质铝酸钙搅拌混合,然后加入步骤
[0001]本发明属于砂浆材料领域,具体涉及一种3D打印砂浆用组合物、3D打印砂浆及其制备方法。
[0002]美国学者JosephPegna在1997年最先提出了关于3D打印建筑的概念设想。3D打印是在数字化模型基础上“自上而下”将材料累加起来的制造技术,也常称作增材制造。3D打印将数字化建模技术、信息化技术、机电技术、材料化学等前沿技术有机结合在一起,是一项多科学综合性技术。目前3D打印技术在工程地质领域、土木建筑领域的理论设计和应用都已有了突破性的进展。尤其是,3D打印在建筑领域所表现出来的特有优势,例如不需要模板支撑,节约了大量的人力物力和时间成本,使其受到越来越多的关注。
[0003]与传统建造业不同的是,3D打印混凝土是在数字化基础上,将所需构件模型导入切片软件,设置合适的打印参数,再由打印喷嘴直接挤压成型。由于在打印过程中砂浆层层累加,不需要模板,因此对3D打印砂浆的工作性能提出了严格的要求。例如工程应用中,往往要求3D打印砂浆具有适宜的流动度、良好的挤出性、适宜的开放时间和优异的建造性,从而保证砂浆从料斗到喷嘴处运输过程中,即可以顺利挤出,又能保证打印条带的连续性和成型效果,从而使建筑在尽可能减小变形的同时具有良好的承载能力。
[0004]我国黄河中下游地区,存在大量价格低廉的黄河特细砂,而黄河特细砂的颗粒粒径较单一、级配较小、含泥量较高,一般在工程上使用率比较低,目前也并未见将黄河特细砂成功用于3D打印的报道。
[0005]因此,如何采用黄河特细砂替代常规中砂从而构建一种全新的3D打印砂浆体系,使之能够满足3D打印对流动性、挤出性、开放时间、建造强度的多重要求,对于解决现如今中砂资源短缺问题,具有重要意义。
[0006]为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种3D打印砂浆用组合物,其采用黄河特细砂替代部分中砂,能够缓解中砂资源短缺的问题,并且将该组合物用于配制3D打印砂浆后,所得砂浆具有优良的流动性、挤出性、开放时间和建造强度,能够综合改善3D打印构件层间薄弱、强度不足和建造性欠佳的问题。
[0007]本发明的目的还在于提供一种3D打印砂浆,其具有适宜的流动度和开放时间、良好的挤出性、优异的建造性,适于3D打印的工程应用。
[0008]本发明的目的还在于提供一种3D打印砂浆的制备方法,其操作简单,适于3D打印砂浆的大规模生产。
[0009]为了实现上述目的,本发明的3D打印砂浆用组合物,采用的技术方案是,
[0012]本发明的3D打印砂浆用组合物,采用特定配比的黄河特细砂、中砂、水泥、粉煤灰、硅灰、非晶质铝酸钙、减水剂和增稠剂作为复合原料,各组分配比合理、协同作用,用于3D打印砂浆配制后,不仅具有优异的流动性、挤出性,适宜的开放时间,而且具有良好的可建造性,3D打印后能够有效提高打印构件的整体密实性,提高其力学性能和耐久性,减小打印构件收缩开裂的风险,在3D打印领域具有良好的应用前景。
[0013] 其中,本发明的砂浆中,黄河特细砂替代中砂的比例达20,左右。本发明充分考虑到黄河特细砂储量大、价格便宜的优势,将其首次以大掺量应用到3D打印砂浆的制备过程中,其不仅可以改善黄河流域生态环境,解决黄河滩大量泥沙堆积问题,还能够有效提高黄河特细砂的利用率,缓解现如今中砂资源短缺的问题。
[0014] 而若将高掺量黄河特细砂应用于3D打印中,其不仅要与中砂形成良好级配关系,达到改善砂浆整体密实性的目的,而且还要避免黄河特细砂对于砂浆流动性、挤出性和可建造性的不利影响。本发明在实验中发现,黄河特细砂在应用于3D打印砂浆后,由于其外貌形状表面大多呈现圆球状,能够减少颗粒间摩擦,起着“润滑”作用,从而对砂浆的流动性有较明显的影响,因此需要对其掺量进行严格控制以期获得最为适宜的流动和挤出性能。然而,在利用黄河特细砂研制3D打印砂浆过程中发现,若采用常规胶凝材料,整个砂浆体系的凝结时间较长,并且整个砂浆体系的流动性大,实际打印过程中不仅会使得可打印对象的高度损失大,还会导致打印过程中结构的坍塌,并无法满足黄河特细砂配制的3D打印砂浆的打印开放时间和建造性的要求,而若胶凝材料初凝时间短,会直接影响到砂浆的开放时间,没有足够的开放时间也就无法完成砂浆的正常打印,同样无法解决3D打印问题。
[0015] 基于上述问题,本发明将本领域常规的早强剂用于3D打印砂浆中,发现其对于胶凝时间的调控也根本无法有效解决上述问题。而本发明通过进一步的实验探索和反复验证,从而在水泥、粉煤灰和硅灰三元胶凝材料的基础上,首次引入非晶质铝酸钙并严格控制其掺量,使之在水泥水化反应开始前,先水化反应生成钙矾石有效填充空隙,由此在得到早期强度降低砂浆流动性影响的同时还能将胶凝材料初凝时间控制在更合理范围内,使之有效满足了3D打印对于砂浆开放时间和建造性的双重要求。
[0016] 根据不同工程对于3D打印砂浆流动性、可挤出性、开放时间和建造强度的要求,在实际工程应用中,可采用以下典型配比,3D打印砂浆用组合物由以下重量份数的组分组成,黄河特细砂18份、中砂72份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂
[0017] 黄河特细砂即来源于黄河滩的天然特细砂,使用前需要采用常规手段对其进行除杂、清洗和晾晒。基于保证黄河特细砂品质以及3D砂浆打印效果的考虑,优选地,所述黄河特细砂的细度模数为0.9,1 .0,含泥量,1 .8,,堆积密度为1400,1500kg/m3,表观密度为
[0018] 本发明对采用的中砂的种类不作特殊限定,其只要能够满足3D打印需求即可。优选地,所述中砂为天然砂或机制砂,所述中砂的细度模数为2.3,2.4,含泥量(3)。
[0019] 3D打印砂浆采用水泥、粉煤灰和硅灰三元复合胶凝材料,其有利于黄河特细砂、中砂构成的砂浆体系胶凝时间的控制,从而综合控制砂浆的流动性、可打印性以及建造性。优选地,所述水泥为普通硅酸盐水泥,所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,所述硅灰的细度为1500‑
[0020] 前期实验发现,减水剂对砂浆的流动性的影响较大,本发明通过减水剂来调控基于特细砂配制的砂浆的流动性,优选地,所述减水剂为聚羧酸高效减水剂,其减水率在20,左右。
[0021] 3D打印砂浆要求在打印材料下层不仅要承受自身重力,还要支撑后期层层堆积砂浆的重量,这就要求砂浆具备从喷嘴打印出来流动性好、成型快、早期强度高,出料后硬化时间短的特点,而本发明加入非晶质铝酸钙配合增稠剂,可以改善砂浆特性,满足3D打印砂浆的性能要求。优选地,所述增稠剂为羧丙基甲基纤维素,增稠剂的100目通过率大于
[0024] 适宜的水胶比是保证3D打印效果的前提,作为优选的方案,所述3D打印砂浆中,胶凝材料为水泥、粉煤灰和硅灰,水胶比为0.34,0.36。
[0025] 本发明的3D打印砂浆的制备方法,采用的技术方案包括以下步骤,
[0026] (1)取过筛除杂、清洗、晾晒处理后的黄河特细砂备用,另将减水剂和增稠剂于水中搅拌溶解,得混合液,
[0027] (2)将黄河特细砂、中砂、水泥、粉煤灰、硅灰、非晶质铝酸钙搅拌混合,然后加入步骤(1)得到的混合液,搅拌均匀,即得3D打印砂浆。
[0028] 本发明的3D打印砂浆,各组分配合作用,在实现大掺量黄河特细砂应用的同时,还能提高3D打印砂浆整体的密实性和流动度,使砂浆更加细腻,减少了层间与条间的缺陷,改善了3D打印砂浆的层间薄弱,打印出来构件的表面孔隙减少,表现出来的可打印性更好。
[0029] 本发明中的3D打印砂浆中的黄河特细砂,储存量大、价格便宜,合理利用后不仅可以改善黄河流域生态环境,还可以缓解现如今中砂资源短缺的问题,应用到3D打印砂浆中,还可以改善打印构件层间薄弱、强度不足的问题,具有良好的应用前景。
[0030] 本发明的3D打印砂浆的制备方法,操作简单,适于3D打印砂浆的大规模生产。
[0031] 图1为本发明实施例和对比例的3D打印砂浆的挤出性能测试结果,
[0032] 图2为本发明实施例和对比例的3D打印砂浆的流动度经时损失,
[0033] 图3为本发明实施例和对比例的3D打印砂浆的打印模型效果图,
[0034] 图4为本发明实施例1和2的3D打印砂浆所得打印结构的高度损失规律,
[0036] 以下结合具体实施方式,对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例中采用的原料,若无特殊说明,均为本领域的常规材料。其中,以下实施例和对比例中,部分原料的来源如下,
[0037] 黄河特细砂为开封市黄河滩挖取,特细砂含泥土杂质较多,因此在使用之前对其进行除杂、清洗、晾晒。处理后所得黄河特细砂经测定细度模数为0.97,含泥量1 .75,,堆积
[0041] 硅灰为河南省龙泽生产的二氧化硅含量为94,的硅灰,细度在1500‑2000目。
[0043] 非晶质铝酸钙为灰白色粉末,密度为3.0g/cm3,比表面积为6100cm2/g,来自电化无机材料(天津)有限公司。
[0044] 增稠剂为羟丙基甲基纤维素(HPMC) ,来自石家庄创盛建筑材料有限公司,为白色粉末,100目通过率大于98.5,,表观密度0.5cm2/g,比重1 .3。
[0048] 本实施例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0049] 黄河特细砂18份、中砂72份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 12份、增稠剂0.01份。
[0050] 本实施例的3D打印砂浆,由水和实施例1的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0052] (1)将挖取得到的黄河特细砂先过直径为4.75mm的方孔砂石筛,筛除特细砂中大块的泥土疙瘩和落叶树枝之类的杂物,然后将黄河特细砂倒入不锈钢盆中,进行搅拌清洗,直至静止一分钟后,上方水不再浑浊,把清洗好的黄河特细砂放在自然通风条件下进行晾晒,取晒干的特细砂进行物理性质测试,如细度模数,含泥量,粒径分布,看是否满足试验要求。
[0053] 另按照质量配比,将减水剂和增稠剂于拌合水中搅拌溶解,得混合液,
[0054] (2)将黄河特细砂、中砂、水泥、粉煤灰、硅灰、非晶质铝酸钙倒入搅拌机中搅拌一分钟,再倒入溶解的减水剂,羟丙基甲基纤维素混合液,继续搅拌均匀,即得3D打印砂浆。
[0056] 本实施例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0057] 黄河特细砂18份、中砂72份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 10份、增稠剂0.01份。
[0058] 本实施例的3D打印砂浆,由水和实施例2的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0061] 本实施例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0062] 黄河特细砂16份、中砂74份、水泥82份、粉煤灰12份、888集团官网入口硅灰6份、非晶质铝酸钙0.9份、减水剂0. 12份、增稠剂0.012份。
[0063] 本实施例的3D打印砂浆,由水和实施例3的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0066] 本实施例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0067] 黄河特细砂20份、中砂70份、水泥86份、粉煤灰9份、硅灰5份、非晶质铝酸钙1 . 1份、减水剂0. 12份、增稠剂0.008份。
[0068] 本实施例的3D打印砂浆,由水和实施例4的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0072] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0073] 黄河特细砂18份、中砂72份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0.08份、增稠剂0.01份。
[0074] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例1的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0076] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0077] 黄河特细砂27份、中砂63份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 1份、增稠剂0.01份。
[0078] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例2的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0080] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0081] 黄河特细砂36份、中砂54份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 12份、增稠剂0.01份。
[0082] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例3的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0084] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0085] 黄河特细砂27份、中砂63份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0.08份、增稠剂0.01份。
[0086] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例4的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0088] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0089] 黄河特细砂36份、中砂54份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 1份、增稠剂0.01份。
[0090] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例5的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0092] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0093] 黄河特细砂36份、中砂54份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0.08份、增稠剂0.01份。
[0094] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例6的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0096] 本对比例的3D打印砂浆用组合物,由以下重量份数的组分组成,
[0097] 黄河特细砂27份、中砂63份、水泥84份、粉煤灰10份、硅灰6份、非晶质铝酸钙1份、减水剂0. 12份、增稠剂0.01份。
[0098] 本对比例的3D打印砂浆,由水和对比例7的3D打印砂浆用组合物组成,水胶比为
[0100] 以下对本发明的3D打印砂浆组合物和3D打印砂浆的筛选过程和应用效果进行具体说明。
[0102] 本试验例对黄河特细砂掺量对流动性的影响以及不同外加剂对胶凝材料初凝时间的影响进行考察。流动度按照GB/T 2419‑2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定,初凝时间用自动维卡仪来测定。结果见表1、2所示。其中,黄河特细砂掺量为特细砂替代中砂的比例。
[0105] 由表1可知,黄河特细砂在不同掺量下,对于砂浆流动性有较为明显的影响。在10(30)的掺量下,可有效改善砂浆的流动度,因此基于保证砂浆挤出性的考虑,后续实验采用10(30)的黄河特细砂掺量。
[0109] 3D打印砂浆要求在打印材料下层不仅要承受自身重力,还要支撑后期层层堆积砂浆的重量,这就要求砂浆具备从喷嘴打印出来成型快,早期强度高,出料后硬化时间短的特点,使之满足3D打印砂浆的性能要求。
[01 10] 由表2可知,当不掺外加剂时,胶凝材料的初凝时间为327min,而若是进一步添加本领域常用的早强剂,当掺量为5,时,初凝时间为270min。本发明在后续3D打印砂浆的配制和应用试验发现,在砂浆流动性较好的情况下,其从喷嘴打印的效率高,但是若初凝时间和强度无法保证,仍然无法成功打印。而初凝时间对基于黄河特细砂配制的3D打印砂浆的可建造性和开放时间有重要的影响。过长的初凝时间如不掺外加剂或者加入常规的早强剂,其不仅会导致打印对象的高度损失较大,还会导致打印过程中结构的坍塌,根本无法满足打印要求,同样地,过短的初凝时间会直接影响到砂浆的开放时间,没有足够的开放时间就无法完成砂浆的正常打印,同样无法满足黄河特细砂配制的3D打印砂浆的使用要求。
[01 1 1] 而本发明经过实验证实,通过在3D打印砂浆体系中引入非晶质铝酸钙,并且控制其掺量在1,左右,其初凝时间在210min左右,该初凝时间能够有效平衡黄河特细砂配制的3D打印砂浆的流动性和早期成型速率和强度,使得砂浆更容易满足开放时间和建造性的双重要求。因此,后续实验中,本发明在砂浆中选定添加占胶凝材料1,质量的非晶质铝酸钙作为3D打印砂浆的外加剂。
[01 13] 为了便于比较,以下对本发明实施例1,2和对比例1,7的3D打印砂浆配方采用表格示出,不同实验编号和实验组的对照关系具体如表3所示,其中各原料质量均以1g作为1份,每种原料均采用60倍质量。
[01 17] 以下首先对上述实验组1,9的流动度进行测试,测试过程采用试验例1中记载的方法,测试结果如表4所示。
[0120] 通过对表4流动度结果进行极差分析可知,各因素对3D打印砂浆流动度影响大小依次为,减水剂,水胶比,特细砂。随着水胶比的增大,砂浆的流动度从192mm增大到203 mm,提高了5.7,,随着减水剂的增多,流动度从188mm增加到205mm,提高了9.04,,随着特细砂掺量的增大,流动度呈现先增大后减少的趋势,这是由于特细砂大多数表面圆润光滑,可以在骨料之间起到滚珠作用,增大流动度,当掺量过多时,特细砂粒径较小,比表面积增大,需要更多的水分来润湿和包裹住特细砂,导致流动度减小。
