3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种3D打印用纤维增强水泥基材料(ECC)及制备、性能评价和应用。该水泥基材料利用完全工业固废生产的硫铝酸盐水泥作为早强剂，并参有拉伸强度及模量较高的聚乙烯纤维，将其引入到3D打印混凝土之中，应用于建筑3D打印、混凝土结构或构件的无筋建造或者混凝土结构的现浇，在拉伸、弯曲作用下具有应变强化和多缝开裂的特性，具有高延性和高耗能能力，解决3D打印素混凝土构件力学性能低下的问题；该纤维增强水泥基复合材料制备方法简单、成本低廉，低碳环保，具有一定的工程示范意义与社会效益。本发明专利技术还提供了该材料的3D打印性能评价方法，包括微坍落度试验、流动度试验以及流变性能试验。

Fiber Reinforced Cement Material for 3D Printing and Its Preparation, Performance Evaluation and Application

The invention discloses a fiber reinforced cement-based material (ECC) for 3D printing and its preparation, performance evaluation and application. The cement-based material uses sulphoaluminate cement produced from industrial solid waste as early strength agent, and polyethylene fibers with high tensile strength and modulus, which are introduced into 3D printed concrete, and is applied to 3D printing of buildings, reinforcement-free construction of concrete structures or components, or cast-in-situ construction of concrete structures, in tension and bending. Curve action has the characteristics of strain strengthening and multi-crack cracking, high ductility and high energy consumption, which can solve the problem of low mechanical properties of 3D printing plain concrete components. The preparation method of fiber reinforced cement-based composite is simple, low cost, low carbon and environmental protection, and has certain engineering demonstration significance and social benefits. The invention also provides a 3D printing performance evaluation method of the material, including micro-slump test, fluidity test and rheological property test.

【技术实现步骤摘要】
3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用
：本专利技术涉及一种3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用，属于土木工程材料

技术介绍
：近年来，随着国家大力提倡建筑工业化的转型升级，装配式建筑蓬勃发展，极大地提高了建筑业的生产力。然而不论是现浇结构体系抑或装配式结构体系均需要耗费较大的人力、能源、物料，并带来较大的环境污染。更高性能、更数字化、更集约化、更柔性化的建造方式已经成为结构领域国际研究的热点与难点。兴起于20世纪末期的3D打印技术，可以利用计算机自动控制技术，将事先设计好的三维数字模型以分步打印的方式制造出三维实体。随着技术的革新与发展，3D打印技术逐渐在建筑业崭露头角。基于3D技术易于建造复杂集合造型建筑构配件的优势，以及更加数字化、集成化的技术体系，建筑3D技术正处于发展的黄金阶段。纵观国内外，建筑3D打印技术已经有了较多实践；上海已经出现利用建筑废料制作的“油墨”打印出的小型建筑，而荷兰、英国等国家也出现了3D打印的混凝土桥梁等建筑结构。3D打印技术在建筑业的兴起势在必行。而就目前建筑3D打印的应用状况而言，其核心问题是打印构件如何确保力学性能能够满足实际工程的需求。一些应用实例采用打印外模板、内填充钢筋进行混凝土现浇的方式满足力学性能，然而这与3D打印技术的原生技术优势背道而驰，反而加大了施工的复杂程度，降低了机械自动化程度。同时绝大多数针对3D打印设计的混凝土材料，均为仅调整了流变性能的改性混凝土，对混凝土本身的拉伸、剪切强度没有提高，仍需要钢筋辅助受力。因而，针对纯3D打印建筑部品，如何实现素混凝土的免配筋抑或少配筋，这是技术研究的改进方向。本专利技术旨在从材料出发，从源头解决素混凝土脆性的力学特征，将ECC材料(即超高韧性的纤维增强水泥基复合材料)引入建筑3D打印，利用其在拉伸、弯曲作用下具有应变强化和多缝开裂的特性，以及高延性、高韧性和高耗能能力，实现一种超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，将其应用于建筑3D打印之中。
技术实现思路
技术问题：基于前述技术背景，本专利技术的目的是提供一种3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用，该水泥基材料具有超高韧性，利用完全工业固废生产的硫铝酸盐水泥作为早强剂以及拉伸强度及模量较高的聚乙烯纤维配制混凝土打印材料，可以显著地提高混凝土材料的拉伸、弯曲力学性能，实现应变强化和多缝开裂的特性，同时具有优异的可打印性，节能环保，有利于实现3D打印混凝土构件的免配筋或少配筋的性能效果；应用了该项材料的建筑3D打印构件可以实现性能化的力学拓扑设计，并在一定程度上摆脱使用钢筋的建造，提高3D打印建筑构件的韧性与安全冗余系数。技术方案：本专利技术提供了一种3D打印用纤维增强水泥基材料，该水泥基材料具有超高韧性，按照重量份数包括以下组分：其中：所述普通硅酸盐水泥的28天抗折强度为9～12MPa，28天抗压强度为50～55MPa，标准稠度用水量为22～27％，初凝时间为130～150min，终凝时间为230～260min。所述硫铝酸盐水泥包含赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏组分，其烧失量为10～14％、1天抗压强度75～85MPa。所述硅灰的比表面积为25～29m2/g、密度为2.0～3.0g/cm3，其中SiO2的质量含量≥90wt％。所述粉煤灰的比表面积为740～748m2/kg，粒径范围为0.55～80.68μm。所述石英砂的规格为70～110目，最大粒径为0.22mm。所述聚乙烯纤维的直径为20～50μm，长度为3～18mm，拉伸强度为2.0～4.0GPa，弹性模量为50～150GPa。所述流变剂为羟丙基甲基纤维素或木质纤维素，其中羟丙基甲基纤维素粘度为4～10万。所述减水剂为聚羧酸类减水剂，固体含量为10～50％，减水率大于40％。本专利技术还提供了一种3D打印用纤维增强水泥基材料的制备方法，该方法包括如下步骤：1)按重量份数计称取各原料，并分为三组：第一组为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂和流变剂，第二组为水和减水剂，其中水和减水剂按照重量份比为1.26～1.45：0.058～0.072，第三组为聚乙烯纤维；2)将第一组的原料加入搅拌机中，匀速干粉搅拌至完全混合均匀，然后将第二组的原料缓慢加入到混合物中，搅拌均匀得到拌合物；3)将第三组的原料缓慢加入到步骤2)得到的拌合物中，匀速搅拌均匀即得到所述的3D打印用纤维增强水泥基材料。其中：步骤2)中所述的匀速干粉搅拌至完全混合均匀过程中，搅拌的速度为120～150rpm，搅拌的时长为2～3min；步骤2)所述的搅拌均匀得到拌合物过程中，搅拌的速度为120～150rpm，搅拌的时长为4～6min；步骤3)中所述的匀速搅拌均匀即得到所述的3D打印用纤维增强水泥基材料过程中，搅拌的速度为400～500rpm，搅拌的时长为1～2min。本专利技术还提供了一种3D打印用纤维增强水泥基材料的性能评价方法，该方法包括对纤维增强水泥基复合材料进行微坍落度试验、流动度试验以及流变性能试验，根据三项实验获取的性能指标综合评价，得到材料的可打印性能，当三项试验获取的性能指标同时满足微坍落度范围为45～60mm、流动度范围为140～160mm、流变性能的最大剪切应力范围为10～150Pa时，则该材料具备可打印性能，其中微坍落度试验和流动度试验参照现行规范标准做法实施，流变性能试验所用设备为混凝土流变特性流变仪，测试方法包含以下步骤：①将所述的3D打印用纤维增强水泥基材料分三次加入量杯中，每次加入后以搅拌棒插捣密实得到浆体，装满后静置备用；②设定流变性能测试曲线，按剪切速率测试，剪切速率最大值不超过150S-1，加载曲线由预剪切部分、静止部分、数据采集部分组成，各部分由静止段、线性变化段、恒定段自由组合，控制总时间在240～600S之间；③将已装入量杯的浆体放入流变仪进行测试，根据粘度不同可选取不同的转子；④从计算机中读取测试实验曲线，处理分析得到流变性能的最大剪切应力。本专利技术还提供了一种3D打印用纤维增强水泥基材料的应用，该材料作为混凝土原材料应用于建筑3D打印、混凝土结构或构件的无筋建造或者混凝土结构的现浇。其中：所述的3D打印用纤维增强水泥基材料在应用过程中，通过单一方向取向成型的方式进行浇筑成型或打印成型，所得试件的拉伸延性较正常浇筑构件可提升性能10％～30％之间，其中单一方向取向成型的方式，包含3D打印挤出、胶枪挤出成型或者手工挤出成型等，但不仅限于上述方式。所述的建筑3D打印应用中，打印所得到的结构的基本力学性能为：抗压强度指标为55～65MPa，抗折强度指标为15～20MPa，单轴拉伸强度为4～5.5MPa，拉伸延性为9％～14％；所述的混凝土结构的现浇应用中，所得到的现浇结构的基本力学性能为抗压强度指标为55～65MPa，抗折强度指标为12～18MPa，单轴拉伸强度为3～5.5MPa，拉伸延性为6％～11％。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：(1)本专利技术将性纤维增强水泥基复合材料(ECC)引入到3D打印混凝土之中，利用其优异的细观力学和断裂力学设计理念，实现超高拉伸延性、弯曲强度的超高韧性水泥基材料，具体而言，本专利技术的混凝土材料其抗压强度可达到60MPa，抗折可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：该材料按照重量份数包括以下组分：

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：该材料按照重量份数包括以下组分：2.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥的28天抗折强度为9～12MPa，28天抗压强度为50～55MPa，标准稠度用水量为22～27％，初凝时间为130～150min，终凝时间为230～260min。3.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述硫铝酸盐水泥包含赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏组分，其烧失量为10～14％、1天抗压强度75～85MPa。4.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述硅灰的比表面积为25～29m2/g、密度为2.0～3.0g/cm3，其中SiO2的质量含量≥90wt％。5.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述粉煤灰的比表面积为740～748m2/kg，粒径范围为0.55～80.68μm。6.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述石英砂的规格为70～110目，最大粒径为0.22mm。7.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述聚乙烯纤维的直径为20～50μm，长度为3～18mm，拉伸强度为2.0～4.0GPa，弹性模量为50～150GPa。8.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述流变剂为羟丙基甲基纤维素或木质纤维素，其中羟丙基甲基纤维素粘度为4～10万。9.如权利要求1所述的一种3D打印用纤维增强水泥基材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸类减水剂，固体含量为10～50％，减水率大于40％。10.一种如权利要求1～10任一所述的3D打印用纤维增强水泥基材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：1)按重量份数计称取各原料，并分为三组：第一组为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂和流变剂，第二组为水和减水剂，其中水和减水剂按照重量份比为1.26～1.45：0.058～0.072，第三组为聚乙烯纤维；2)将第一组的原料加入搅拌机中，匀速干粉搅拌至完全混合均匀，然后将第二组的原料加入到混合物中，搅拌均匀得到拌合物；3)将第三组的原料缓慢加入到步骤2)得到的拌合物中，匀速搅拌均匀即得到所述的3D打印用纤维增强水泥基材料。11.如权利要求10所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘金龙，周震鑫，朱彬荣，张洋，
申请(专利权)人：东南大学，南京彼卡斯建筑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32