用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法。所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥6.8‑8.6份；矿粉3.0‑6.7份；硅灰1.3‑2.7份；石英砂4.7‑13.8份；水2.0‑4.1份；减水剂0.2‑0.5份；缓凝剂0‑0.03份；触变剂0‑0.004份；纤维0.05‑0.25份；碳纳米管0.0008‑0.008份；分散剂0.003‑0.16份。本发明专利技术提供的纤维混凝土材料具有合适的初凝时间和终凝时间、较高的抗压强度、抗折强度和韧性、良好的和易性和触变性，层与层之间能实现有效粘结，并且在堆积过程中不会发生变形和坍塌，可以做到针对工程需要而精准设计纤维混凝土材料的凝结和触变性能，可以满足不同的打印速度和结构施工的需求。

【技术实现步骤摘要】
用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法
本专利技术属于建筑材料领域，特别是涉及一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法。
技术介绍
3D打印作为一种快速成型、增材制造技术，自专利技术以来，在各个行业得到迅速广泛的推广。3D打印建筑能够有效减少建筑垃圾，提升施工效率，缩短工期，减少人工，提升机械化水平，整体上做到节能减排，有助于环境改善；此外由于3D打印可由计算机控制实现空间任意造型设计，能够将结构受力与建筑美学相结合，体现出建筑的艺术性。2013年1月，荷兰采用3D打印混凝土建造了莫比乌斯环状房屋，同年1月欧洲航天局正在研发利用月球土壤和其他材料3D打印空间站的建设技术，2013年2月英国实现了纤维尼龙3D打印成结构快速组装建造技术；2013年1月，中国在上海利用高标号水泥、玻璃纤维和部分添加剂完成了临时设施的打印，并尝试通过3D打印构件拼装成多层结构；2015年，我国在苏州使用塑料，镁质粘结剂，石膏，玻璃纤维和水泥打印了一座小型多层建筑结构。由于现有打印材料的强度和耐久性一直亟待提升，当前3D打印技术也缺乏基体与传统增强材料，如钢筋的组合形式，导致打印结构型式受限于材料性能，多为小空间小跨度的小型民用建筑。现有3D建筑材料非常丰富，公开号为CN107603162A的中国专利文献公开了一种建筑用高强度高韧性3D打印材料。公开号为CN107619230A的中国专利文献公开了一种用于3D打印的混凝土材料，公开号为CN107200536A的中国专利文献公布了一种用于建筑的快速成型3D打印浆料及其制备方法，公开号为CN107177155A的中国专利文献公开了一种建筑领域用高强度耐紫外线的3D打印材料及其制备方法，公开号为CN107141799A的中国专利文献公开了一种建筑工程用耐氧化高强度3D打印材料及其制备方法，公开号为CN107417180A的中国专利文献公布了一种石墨烯土聚水泥及其制备方法，公开号为CN107032669A的中国专利文献公布了一种3D打印建筑材料。目前打印材料的种类和强度均有了明显提升。虽然现阶段研制出的3D打印材料工作性能上可以满足技术要求，但强度大多还处于普通混凝土的范围(<60Mpa)。由于3D打印逐层堆积的性质和打印施工的自动化设置，对整个快速施工设计增加钢筋骨架设置了技术障碍，仅使用普通打印材料，韧性不足，能实现的结构型式十分有限。为了满足现代结构建造需求，亟待提升打印材料的流动度、工作性、强度和形塑能力，这也直接关系到该技术能否具有结构普适性和广泛实施性。纳米碳管(CNT)，管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。理论和实验研究表明，碳纳米管具有极高的强度，理论计算值为钢的100倍；同时碳纳米管具有极高的韧性，十分柔软，被认为是未来的超级纤维。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法，提供的碳纳米管/纤维混凝土的强度高，延性好，空间成型和造型能力好，可以实现结构空间较大跨越，保障结构在多种工况之下的服役安全；并且制备方法简单易行。本专利技术提供如下技术方案：一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，按重量份数计，所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥6.8-8.6份；矿粉3.0-6.7份；硅灰1.3-2.7份；石英砂4.7-12.5份；水2.0-4.1份；减水剂0.2-0.5份；缓凝剂0-0.03份；触变剂0-0.004份；纤维0.05-0.25份；碳纳米管0.0008-0.008份；分散剂0.003-0.16份。所述水泥包括75-100％的硫铝酸盐水泥和0-25％的硅酸盐水泥，所述百分比是指重量百分比。优选的，所述水泥包括75％-100％的42.5硫铝酸盐水泥和0-25％的42.5硅酸盐水泥(0-25％)，或所述水泥包括75％-100％的52.5硫铝酸盐水泥(75％-100％)和0-25％的42.5硅酸盐水泥，保证材料具有较高的早期强度和龄期强度。所述碳纳米管/纤维混凝土的水胶比为0.14-0.30、水灰比为0.28-0.50；其中，水泥、矿粉和硅灰组成凝胶材料，水胶比是指水与凝胶材料的重量比；水灰比是指水与水泥的重量比。所述水胶比、纤维和碳纳米管的含量可以使碳纳米管/纤维混凝土得到较高的抗压强度、抗折强度和韧性。所述水灰比和触变剂的含量，可以控制碳纳米管/纤维混凝土的触变性能和堆积叠放性能，保障施工稳定性和成型精度。当触变剂的含量为0时，减水剂也有一定的黏聚效果，而且胶凝材料的比例较大，碳纳米管/纤维混凝土会比较黏，同时纤维的含量较大，碳纳米管/纤维混凝土的黏聚性更好。所述缓凝剂的含量可以控制材料的凝结时间，以匹配不同打印速度和打印结构，调整范围为初凝时间20min-120min，终凝时间60min-180min。碳纳米管/纤维混凝土的凝结速度快，短期内就具有较高的强度和一定的造型能力。优选的，按重量份数计，所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥8.0-8.4份；矿粉4.0-6.7份；硅灰1.35-1.7份；石英砂5.0-7.4份；水2.3-2.8份；减水剂0.3-0.39份；缓凝剂0.0065-0.025份；触变剂0-0.004份；纤维0.1-0.16份；碳纳米管0.0008-0.004份；分散剂0.003-0.08份。水胶比为0.14-0.21、水灰比为0.28-0.35。上述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成制备的试件可以得到合适的初凝时间和终凝时间、较高的抗压强度、抗折强度和韧性、良好的和易性和触变性。所述硅灰的平均粒径为0.1-0.3μm，比表面积为15000-28000m2·kg-1。减小混凝土的离析和泌水度，提高混凝土的早期强度和最终强度。所述矿粉为S95级矿粉；S95级矿粉的活性较好。所述纤维选自聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或至少两种的组合，长度为6-12mm。纤维的材质会影响混凝土的流动性，并影响其强度；其长度为6-12mm，制备的碳纳米管/纤维混凝土的韧性更好。优选的，所述纤维为9-12mm的聚乙烯醇纤维，对碳纳米管/纤维混凝土的流动性的影响较小，并提高其强度。所述石英砂的粒径为35-140目。制备的碳纳米管/纤维混凝土由较高的抗压和抗折强度。所述减水剂选自聚羧酸系高效减水剂或萘系高效减水剂中的一种或组合。优选的，所述减水剂选自聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30％。所述缓凝剂选自酒石酸、柠檬酸钠、或葡萄糖酸钠中的一种或至少两种的组合。所述触变剂选自淀粉醚或有机膨润土中的一种或其组合。所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管，具有极高的强度和韧性。优选的，碳纳米管为多壁碳纳米管，长度为10-30μm。多壁碳纳米管有夹层结构，负载能力强，改善3D打印混凝土弯曲韧度，改变构件抗折失效破坏形态。所述分散剂选自浓酸羧化剂、十二烷基苯磺酸钠(SDS)表面活化剂、KH570SCA偶联剂、羧甲基纤维素钠CMC、十六烷基三甲基溴化铵C16TAB、聚乙烯吡咯烷酮PVP中的一种或至少两种的组合。所述碳纳米管/纤维混凝土的初凝时间20min-120min，终凝时间60min-180min。本专利技术还提供一种碳纳米管/纤维混凝土的制备方法，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，按重量份数计，所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥6.8‑8.6份；矿粉3.0‑6.7份；硅灰1.3‑2.7份；石英砂4.7‑12.5份；水2.0‑4.1份；减水剂0.2‑0.5份；缓凝剂0‑0.03份；触变剂0‑0.004份；纤维0.05‑0.25份；碳纳米管0.0008‑0.008份；分散剂0.003‑0.16份。

【技术特征摘要】
1.一种用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，按重量份数计，所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥6.8-8.6份；矿粉3.0-6.7份；硅灰1.3-2.7份；石英砂4.7-12.5份；水2.0-4.1份；减水剂0.2-0.5份；缓凝剂0-0.03份；触变剂0-0.004份；纤维0.05-0.25份；碳纳米管0.0008-0.008份；分散剂0.003-0.16份。2.根据权利要求1所述的用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，其特征在于，所述水泥包括75-100％的硫铝酸盐水泥和0-25％的硅酸盐水泥，所述百分比是指重量百分比。3.根据权利要求1所述的用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，其特征在于，所述纤维混凝土材料的水胶比为0.14-0.30、水灰比为0.28-0.50；其中，水泥、矿粉和硅灰组成凝胶材料，水胶比是指水与凝胶材料的重量比；水灰比是指水与水泥的重量比。4.根据权利要求3所述的用于3D打印的碳纳米管/纤维混凝土，其特征在于，所述碳纳米管/纤维混凝土的原料组成为：水泥8.0-8.4份；矿粉4.0-6.7份；硅灰1.35-1.7份；石英砂5.0-7.4份；水2.3-2.8份；减水剂0.3-0.39份；缓凝剂0.0065-0.025份；触变剂0-0.004份；纤维0.1-0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓燕，汪群，王海龙，陈杰，高超，张治成，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33