一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法，该混凝土主要由水泥砂浆与3D打印智能设计三维网状骨架组成，其中水泥砂浆由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥337‑375份、粉煤灰93‑107份、细骨料710‑886份、聚羧酸减水剂0.5‑0.6份、水170‑194份。3D打印智能设计三维网状骨架可由设计者按照实际需求确定。相对于现有技术，本发明专利技术设计的三维网状骨架结构能提高混凝土的受压峰值应变，是玄武岩混凝土2倍。这种方法制备的混凝土可以有效的提高混凝土的延性，具有良好的能量耗散作用。此外，本发明专利技术方法还可以大大提高材料的均匀性，相对于普通的纤维掺入方式，不存在分布不均和结团的问题，可以大大提高最终产品的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法
本专利技术涉及一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土及其制备方法，属于智能设计增强混凝土

技术介绍
混凝土的新型结构设计与功能化设计可以作为进一步研究的方向。新的结构设计与功能化设计会对制备方法与材料提出更高的要求，3D打印技术即增材制造技术(AdditiveManufacturing,AM)可以满足这些要求。3D打印技术是利用计算机的图形计算能力，基于按照特定顺序，将经过设计的计算机模型按层沉积成物理实体的技术。由于借助了计算机的强大计算能力，3D打印技术对计算机模型的实体化过程的精度很高，可以得到极为准确的物理模型。另外，3D打印技术的打印速度较快，在较短的时间内即可获得打印成品，这与铸造技术相比是一个巨大的优势。3D打印技术具有可设计、高精度、快速成型等优势。经过近三十年的发展，3D打印机制造技术日趋成熟，3D打印制件的成本逐渐降低，使得其在混凝土设计与制备领域得到应用成为可能。混凝土的力学特征是抗压强度高而抗拉强度低，高强度混凝土在材料使用方面与普通混凝土并没有明显差异，也同样具有很低的抗拉强度。混凝土的脆性使得其在建筑中的应用产生了安全隐患，因为建筑物在地震等自然灾害中没有征兆地突然失效破坏是非常危险的。为了提高混凝土材料的延性，科研人员在水泥基材料制备过程中添加纤维材料，专利技术了纤维增强水泥基复合材料。LiV等提出的工程水泥基复合材料(EngineeredCementitiousComposite，ECC)也属于纤维增强水泥基复合材料。ECC的设计方法中，以纤维-水泥基体的微观力学与断裂力学为设计指导，粗骨料完全被短切纤维替代，由此将脆性的混凝土材料转变为具有韧性破坏特征的高延性材料。ECC常用的增强纤维主要有钢纤维、聚乙烯(PE)纤维、碳纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)等。但是也存在一些问题，ECC的成本较高并且随着纤维掺量的增大存在纤维分布不均和结团的问题，影响工作性和强化效果。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土及其制备方法。本专利技术中以数字光处理(DLP型光固化)3D打印为技术手段，以重构混凝土骨架结构为目标，设计长程有序的骨架结构，提高混凝土的最大压应变和增强混凝土的延性。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术公开了一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，该混凝土主要由水泥砂浆与光固化3D打印树脂骨架组成，其中水泥砂浆由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥337-375份、粉煤灰93-107份、细骨料710-886份、聚羧酸减水剂0.5-0.6份、水170-194份。3D打印智能设计三维网状骨架可由设计者按照实际需求设计定制。作为优选方案：所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。所述的粉煤灰为I级类粉煤灰。所述的细骨料为河砂，细度模数为2.3-2.8的Ⅱ区中砂。含泥量小于等于0.5％。所述的3D打印智能设计三维网状骨架所用的光敏树脂以双酚F环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA作为稀释剂，TPO作为光引发剂合成光敏树脂。要满足骨架结构对稳定性的要求将三角形和菱形作为基本元素，构建了正八面体和平行十二面体为基本结构单元。空间中的单元结构需要进行连接杆件与连接节点的设计，以DLP光固化3D打印技术成型，制备3D打印智能设计三维网状骨架。所述的聚羧酸高效减水剂的固含量大于等于40％(质量含量)，减水率大于等于33.9％。所述水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。本专利技术还提供了利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土的方法，包括以下步骤：(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架(2)取水泥、粉煤灰、河砂，利用旋转式混合搅拌机将其搅拌混合均匀，得到均匀混合料；(3)将聚羧酸高效减水剂加入水中，搅拌得到均匀的水溶剂，缓慢加入到上述混合料中，然后调节旋转式混合搅拌机的工作参数进行混合，得到均匀混合浆体；(4)向涂好油的模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土。更具体地，上述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备混凝土的制备方法，包括以下步骤：先用与混凝土相同的水胶比的水泥砂浆充分润湿砂浆搅拌机和混凝土成型模具。(1)在Solidworks软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架。(2)依次将称量好的水泥、粉煤灰、河砂、加入到搅拌机的混合容器中，启动搅拌器，叶片旋转速度为76-84r/min。混合时间为120-180S，使其搅拌混合均匀得到混合料。(3)将称量好聚羧酸高效减水剂加入水，用玻璃棒搅拌数秒，得到均匀的水溶剂。从注水口将搅拌均匀的水溶剂的缓慢加入到混合料中，然后调节搅拌机叶片转速，转子逆时针旋转速度为120-140r/min，混合时间为180S，得到均匀混合浆体。(4)停止搅拌机，向涂好油的模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(2)中拌好的均匀混合浆体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在砂浆振动台上振动至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实。最后按国家标准成型养护，即可得到所述利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土。以3D打印智能设计三维网状骨架为中心，灌注水泥砂浆制备成型，可以大大提高材料的均匀性，相对于普通的纤维掺入方式，不存在分布不均和结团的问题，可以大大提高最终产品的性能。技术效果：相对于现有技术，本专利技术原料中包括了3D打印智能设计三维网状骨架，一般的混凝土中都是在掺加有机纤维或是钢纤维进行增强混凝土，3D打印骨架不存在分布不均或者结团的问题，而且其形状结构可设计，具有非常广的适用性和可设计性。以正八面体为结构单元和菱形十二面体为结构单元的三维网状骨架分别制备的混凝土的破坏形式也颇为相，在达到最大抗压强度后的失效过程均较为缓慢。该树脂骨架灌注水泥砂浆制备混凝土，设计的三维网状骨架结构能提高混凝土的受压峰值应变，是玄武岩混凝土2倍。3D打印骨架混凝土受拉时显示出了多缝开裂的特征，极限抗拉强度达到0.85MPa，极限应变约为0.055。这种方法制备的混凝土可以有效的提高混凝土的延性，具有良好的能量耗散作用。骨架在混凝土具有增加吸能和提高延性的作用，有利于混凝土在复杂抵抗拉应力和提高混凝土结构安全性。把3D打印三维网状骨架加入混凝土中，是一种非常有效且全新的提高混凝土延性的方法。附图说明图1为3D打印智能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：/n普通硅酸盐水泥337-375份、粉煤灰93-107份、细骨料710-886份、聚羧酸减水剂0.5-0.6份、水170-194份、3D打印智能设计三维网状骨架。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥337-375份、粉煤灰93-107份、细骨料710-886份、聚羧酸减水剂0.5-0.6份、水170-194份、3D打印智能设计三维网状骨架。


2.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥。


3.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的粉煤灰为I级类粉煤灰。


4.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的细骨料为河砂，细度模数为2.3-2.8的II区中砂，含泥量小于等于0.5％。


5.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述的3D打印智能设计三维网状骨架，其骨架结构是将三角形或菱形作为基本元素，构建正八面体或平行十二面体为基本结构单元。


6.根据权利要求1所述的利用3D打印智能设计三维网状骨架制备的混凝土，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋金洋，郑超浪，王兰心，许光远，王立国，郑琦，王凤娟，冯滔滔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32