可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法技术

本发明专利技术涉及可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法，按重量份数计，地聚物的组成和含量分别为：粉煤灰0.4～0.6份；偏高岭土0.275～0.5份；石膏粉0.05～0.1份；高炉矿渣粉0.05～0.175份；机制砂1～1.5份，所述机制砂的平均粒径为125～430μm；粘度改性剂0.01～0.03份；复合碱激发剂0.4～0.6份；水0.05～0.125份；长度为6～18mm的玄武岩纤维0.0075～0.03份；钠基膨润土0.01～0.03份。该地聚物以粉煤灰为主要原料不仅可以有效减少水泥用量，还可以解决粉煤灰储存带来的占用土地、环境污染问题。

Fly ash base polymer with 3D printing and its preparation and application method

The invention relates to a 3D printed flyash base polymer and its preparation and use method. According to the weight number, the composition and content of the geopolymer are 0.4 to 0.6 parts of fly ash, 0.275 to 0.5 parts of the high ridge soil, 0.05 to 0.1 plaster powder, 0.05 to 0.175 of the blast furnace slag powder, 1 to 1.5 parts of the machine sand, and the average sand of the mechanism. The particle size is 125~430 u m; the viscosity modifier is 0.01 ~ 0.03; the compound alkali activator is 0.4 ~ 0.6; the water is 0.05 to 0.125; the basalt fiber with the length of 6 ~ 18mm is 0.0075 to 0.03; the sodium bentonite is 0.01 to 0.03. The fly ash as the main raw material can not only effectively reduce the amount of cement, but also solve the land and environmental pollution caused by the storage of fly ash.

【技术实现步骤摘要】
可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法
本专利技术涉及混凝土材料
，具体来说是涉及一种可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法。
技术介绍
3D打印技术近几年在土木建筑领域获得显著的发展，3D打印桥梁、3D打印房屋等实例常有报道，这些在很大程度上证实了将3D打印技术运用到土木建筑领域的可行性。3D打印混凝土技术也因其具有的设计自由化、建造灵活性、施工速度快、人工成本低、自动化程度高、环境污染小等诸多优点而得到广泛的关注和推广。目前为止，3D打印混凝土技术主要采用水泥基材料，如申请号为201510225639.4的中国专利公开一种3D打印水泥基材料及其制备方法，申请号为201610681060.3的中国专利公开一种用于3D打印技术的碳纤维增强水泥基复合材料。然而每生产1吨水泥，排放二氧化碳约1吨，二氧化硫0.74千克，粉尘30千克，造成严重的大气环境污染和土壤植被破坏，直接影响生态环境。目前，人们正积极开展研究和开发各种节能、节材、综合利用资源且与生态环境和谐共存并有利于人类健康的性能优良的绿色新材料。3D打印技术的快速发展也离不开高性能建筑材料的革新，寻求一种具有较高力学强度且满足建造要求的水泥的替代材料来制备3D打印建筑结构具有十分重要的意义。地聚物是一种以黏土、粉煤灰、工业废渣为主要原料，经适当工艺处理在碱激发(氢氧化钠、水玻璃等)条件下发生聚合反应形成的一种与水泥、陶瓷等机能相近的绿色胶凝材料。地聚物通常采用矿物废料作为原材料，不仅不会产生环境污染，还能解决粉煤灰等矿物废料的储存、处理问题，属于环境友好型材料。其还具有强度高、耐高温、耐酸碱和耐久性好的优点，是水泥的良好替代品。粉煤灰是一种矿物废料，在我国产量大、储存困难、利用率低，粉煤灰的主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO等，可用于制备地聚物。申请号为201410856420.X的中国专利公开了一种粉煤灰基地聚物混凝土材料及其制备方法，虽然选择以粉煤灰为主要原料，但该材料中仍然使用部分水泥，且材料不能进行3D打印。因此尚无以粉煤灰为主要原材料制备可3D打印的地聚物的相关报道。鉴于此，本专利技术公布了一种可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种可3D打印的粉煤灰基地聚物及其制备、使用方法。该地聚物以粉煤灰为主要原料不仅可以有效减少水泥用量，还可以解决粉煤灰储存带来的占用土地、环境污染问题。该地聚物可打印性能高、硬化速度快、粘结性好、强度高，开放时间可调，具有良好的工程应用前景。该制备方法首先将钠基膨润土、其他粉料和玄武岩纤维分3次投入搅拌机，然后加入复合激发剂和粘度改性剂，这样可提高玄武岩纤维和钠基膨润土的分散性，利于所制备地聚物材料的顺利挤出。在使用方法限定的各项参数范围内打印所制备的地聚物，可保证打印过程的顺利以及3D打印地聚物结构的稳定性。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种可3D打印的粉煤灰基地聚物，按重量份数计，地聚物的组成和含量分别为：粉煤灰0.4～0.6份；偏高岭土0.275～0.5份；石膏粉0.05～0.1份；高炉矿渣粉0.05～0.175份；机制砂1～1.5份，所述机制砂的平均粒径为125～430μm；粘度改性剂0.01～0.03份；复合碱激发剂0.4～0.6份；水0.05～0.125份；长度为6～18mm的玄武岩纤维0.0075～0.03份；钠基膨润土(触变剂)0.01～0.03份。上述的可3D打印的粉煤灰基地聚物，所述复合碱激发剂由硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液组成。一种上述的可3D打印的粉煤灰基地聚物的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为0.4～0.6份粉煤灰、0.275～0.5份偏高岭土、0.05～0.1份石膏粉、0.05～0.175份高炉矿渣粉、1～1.5份机制砂和0.0075～0.03份玄武岩纤维，0.01～0.03份钠基膨润土；第二组为0.0359～0.0675份氢氧化钠固体、0.077～0.191份蒸馏水、0.23～0.429份硅酸钠溶液；第三组为0.01～0.03份粘度改性剂和0.05～0.125份水；(2)将第一组中除钠基膨润土和玄武岩纤维外的所有原料送入行星式砂浆搅拌机中，充分搅拌均匀后，再将钠基膨润土逐渐加入搅拌机中，继续搅拌至混合均匀，最后缓缓加入玄武岩纤维，继续搅拌直至材料混合均匀，得到混合干料；(3)将第二组中0.0359～0.0675份氢氧化钠粉末溶于0.077～0.191份蒸馏水中充分混合后得到氢氧化钠溶液；然后采用水浴冷却至室温，最后将0.23～0.429份硅酸钠溶液加入到上述制备的氢氧化钠溶液中混合，制备得到复合碱激发剂，并储存24小时后待用，储存温度为25±2℃；(4)称取0.05～0.125份水，并缓缓加入0.01～0.03份粘度改性剂，边加边搅拌，直至形成稳定胶体；(5)现场打印时将步骤(3)制备的复合碱激发剂加入到步骤(2)得到的混合干料中，充分搅拌后，加入步骤(4)制备的胶体后继续搅拌直至混合均匀，搅拌结束后即为所述的可3D打印的粉煤灰基地聚物。一种上述的可3D打印的粉煤灰基地聚物的使用方法，该使用方法的过程是：将地聚物泵送或机械输送至3D打印机的打印喷头内，从搅拌结束至开始打印的时间不超过5分钟，设置打印喷头截面形状为圆形，口径为10～20mm，挤出速度为0.5～1.0m3/h，平面内打印速度为180～210m/h。与现有的3D打印混凝土材料相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术制备方法所配制的可3D打印的粉煤灰基地聚物可与打印机协调相容，可保证打印过程中材料被连续挤出、不中断，堆积过程中结构稳定、无较大变形(见图1～图2)。2)粉煤灰基地聚物本身不具有可打印性，本专利技术采用钠基膨润土作为触变剂，这种触变剂可以在碱激发剂的高碱环境中保持活性，提高溶解性能，使粉煤灰基地聚物具有良好的保水性和触变性，所制备的粉煤灰基地聚物具有良好的可打印性；偏高岭土的保水性及活性较粉煤灰高，粒径较粉煤灰小，少量的偏高岭土具有提高地聚物的强度、保水、优化粒径级配的作用；矿渣粉活性较偏高岭土还要高，适量的矿渣粉可以加快聚合反应，促进早期强度的增长，这有利于提高地聚物的可建造性；本专利技术采用石膏粉作为粉煤灰的活性激发剂，有利于提高粉煤灰的活性及地聚物硬化后的强度；本专利技术利用可分散乳胶粉作为粘度改性剂，加入此种粘度改性剂可以提高材料的粘结性；玄武岩纤维的加入一方面能提高硬化后混凝土的断裂韧性，另一方面可以提高材料的可建造性。多种材料的相互配合作用，使粉煤灰基地聚物表现出良好的3D可打印性，能用于3D打印。3)本专利技术可3D打印的粉煤灰基地聚物的开放时间(可以顺利挤出的时间)可以根据3D打印的速度在30～60分钟范围内进行调节。在上述0.05～0.175份高炉矿渣粉范围内，本专利技术只需调节矿渣粉的掺量即可调节材料的开放时间，随着掺量增加，开放时间由60分钟减小为30分钟。4)本专利技术的材料组成中钠基膨润土和玄武岩纤维不易分散均匀，采用本专利技术的制备方法，制备矿物混合干料时，将第一组中除钠基膨润土和玄武岩纤维外的所有原料送入行星式砂浆搅拌机中，先混合搅拌2分钟。然后将钠基膨润土逐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可3D打印的粉煤灰基地聚物，按重量份数计，地聚物的组成和含量分别为：粉煤灰0.4～0.6份；偏高岭土0.275～0.5份；石膏粉0.05～0.1份；高炉矿渣粉0.05～0.175份；机制砂1～1.5份，所述机制砂的平均粒径为125～430 μm；粘度改性剂0.01～0.03份；复合碱激发剂0.4～0.6份；水0.05～0.125份；长度为6～18 mm的玄武岩纤维0.0075～0.03份；钠基膨润土0.01～0.03份。

【技术特征摘要】
1.一种可3D打印的粉煤灰基地聚物，按重量份数计，地聚物的组成和含量分别为：粉煤灰0.4～0.6份；偏高岭土0.275～0.5份；石膏粉0.05～0.1份；高炉矿渣粉0.05～0.175份；机制砂1～1.5份，所述机制砂的平均粒径为125～430μm；粘度改性剂0.01～0.03份；复合碱激发剂0.4～0.6份；水0.05～0.125份；长度为6～18mm的玄武岩纤维0.0075～0.03份；钠基膨润土0.01～0.03份。2.根据权利要求1所述的可3D打印的粉煤灰基地聚物，其特征在于所述粘度改性剂为可分散乳胶粉；所述复合碱激发剂的模数控制在1.2～1.4范围内。3.根据权利要求1所述的可3D打印的粉煤灰基地聚物，其特征在于所述粉煤灰的烧失量为7.1%，含水率为0.1%，氧化钙含量为3.7%，需水量比为104%，细度为45μm方孔筛筛余17.5%；所述偏高岭土的密度为2.65g/cm3，比表面积为26～28m2/g，含水率为0.9%；所述高炉矿渣粉的密度为2.8g/cm3，比表面积为350～500m2/kg，含水率为0.8%；所述石膏粉为二水硫酸钙，细度为100～300目；所述机制砂为平均粒径277.5μm、比表面积0.125m2/g的石英砂；所述玄武岩纤维的拉伸强度为3300～4500MPa，弹性模量为95～115GPa，断裂伸长率为2.4～3.0%。4.根据权利要求1所述的可3D打印的粉煤灰基地聚物，其特征在于所述复合碱激发剂由硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液组成。5.一种权利要求4所述的可3D打印的粉煤灰基地聚物的制备方法，该制备方法包括以下步骤：（1）按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为0.4～0.6份粉煤灰、0.275～0.5份偏高岭土、0.05～0.1份石膏粉、0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，李之建，王里，孙浚博，白刚，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12