一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物及其使用方法，由粉煤灰、高炉矿渣粉、石英粉、碱激发剂粉末、PVA粉末、强碱粉末、无水偏硅酸钠粉末、吡咯烷酮溶液、冷却液和水组成。所述的碱激发剂粉末可以是硅酸钠粉末、硅酸钾粉末中的一种。所述的强碱粉末可以是氢氧化钠粉末、氢氧化钾中的一种。所述的冷却液可以是无水乙醇、异丙醇和丙三醇中的一种。本发明专利技术具有优异的粒径级配分布，铺粉效果好；粘结剂的粘度小，喷出的粘合剂在现有的地质聚合物粉末中可以均匀分布；通过控制粘结剂的浓度和组分，可实现多强度类岩石材料和复杂岩体的物理模型的制备。本发明专利技术还提供了使用所述的地质聚合物复合材料进行粉末黏合3D打印的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物及其使用方法
本专利技术涉及岩土工程和无机材料领域，具体来说，是涉及一种用于复杂岩体物理模型的粉末粘结3D打印地质聚合物及其使用方法。
技术介绍
重大基础设施和能源工程建设是国家可持续发展的重大需求。这些工程中各类安全事故和地质灾害都与复杂岩体结构有密切关系，研究复杂岩体结构灾变机理和破坏特征是确保重大基础设施和能源工程安全的基础。物理模型试验是岩土工程领域主要的研究手段，然而，由于复杂岩体中同时存在多种强度的岩石材料，且存在裂隙等不连续体和面，目前在国际上尚没有成熟的方法制作复杂岩体的三维物理模型。3D打印技术是一种近年来兴起的，包括诸多方面前沿技术知识，具有高科技含量的制造技术，该技术具有极高的灵活性和自动化程度，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域。其中粉末黏合3D打印技术为应用较广的技术之一。该技术是首先铺设粉末，然后向平铺的粉末上喷射黏结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的三维物体。采用粉末黏合3D打印技术制备复杂岩体物理模型具有较大潜力，研发适于粉末粘结的3D打印材料，同时实现多种强度岩石材料的打印，是制备上述复杂物理模型的基础。中国专利CN104230289A、CN104291720A和CN104744000A各公开了一种使用石膏粉末制备的3D打印材料。中国专利CN106800391A公开了一种用于粉末黏合3D打印的水泥基复合材料及应用该材料的粉末黏合3D打印方法。在这些专利中，主要采用石膏粉或水泥基粉末材料，粘结剂主要是水，每次只能铺设一种粉末。所以每次打印的材料只有一种强度。然而复杂岩体中包括硬岩、软岩等不同强度的岩石材料，现有粉末黏合技术无法实现多种强度岩石模拟材料的同时打印。基于上述问题，无法采用现有材料和技术打印岩体结构物理模型，必须寻求全新的可用于粉末黏合3D打印技术的材料。地质聚合物是一种以粉煤灰、工业废渣为主要原料，以碱或硅酸钠为激发剂组成的双组分绿色胶凝材料。其组成与水泥或石膏不同，包括粉煤灰、工业废渣等硅铝相原料和激发剂两部分。基于此，可以将粉煤灰、工业废渣等作为粉料进行铺设，把激发剂作为粘结剂进行喷射，通过控制激发剂的组分和浓度实现多强度类岩石材料的制备。目前地质聚合物材料并未被大量应用于上述粉末黏合3D打印技术中，主要问题在于，其采用的激发剂的粘度大，不能直接作为粘结剂通过喷头喷射打印。而且粉末黏合3D打印过程中喷出的粘合剂在现有的地质聚合物粉末中难以均匀分布，导致现有的地质聚合物材料并不适合用于粉末黏合3D打印。因此，有必要研发一种适用于粉末黏合3D打印技术的地质聚合物复合材料，打印多强度类岩石材料，用于制作复杂岩体的物理模型。
技术实现思路
本专利技术的本专利技术的首要目的在于：提供一种用于复杂岩体物理模型的粉末粘结3D打印地质聚合物复合材料，打印多强度类岩石材料，用于制作真正意义上的复杂岩体的物理模型。本专利技术的另一个目的在于：提供一种应用所述地质聚合物复合材料进行粉末黏合3D打印的方法，将粉末黏合3D打印与地质聚合物材料的优点完美结合，以制造出与真实岩石具有相似强度和脆性的三维物理模型。本专利技术的目的是通过以下技术方案进行实现：一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，按重量份数计，地质聚合物的组成和含量分别为：0.3～0.6份粉煤灰、0.3～0.8份高炉矿渣粉、0.4～0.6份石英粉、0～0.2份碱激发剂粉末、0.02～0.04份PVA粉末、0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0.002～0.005份吡咯烷酮液、0.002～0.005份冷却液以及0.2～0.3份水。所述粉煤灰和高炉矿渣粉的最大粒径为0.1mm。所述的硅酸钠粉末的最大粒径为0.05mm。所述的石英粉的最大粒径为0.6mm。所述的碱激发剂粉末可以是硅酸钠粉末、硅酸钾粉末中的一种，硅酸钾和硅酸钠的模数为1.0-3.2。所述的强碱粉末是氢氧化钠粉末或氢氧化钾粉末中的一种。所述的冷却液是无水乙醇、异丙醇或丙三醇。优选地，所述的PVA粉末为325目。使用粉末粘结工艺打印物体时存在以下问题：使粉体材料粒径分布不合适，粉体无法密实的铺设；粘结剂喷射到粉体表面后，渗透性过大或过小，在粉体材料中分布不均匀；地质聚合物复合材料硬化速度过快或过慢，不能适用于粉末黏合3D打印工艺。本专利技术采用以下手段解决了上述问题：(1)通过设计粉体的配比，优化了粉体材料的粒径分布，实现了粉体材料的密实铺设；(2)使用了特定比例和种类的PVA粉末，改善了粘结剂在分体表面的渗透性，使其在粉体材料中的渗透性达到了理想的状态，实现了粘结剂的均匀分布；(3)使用了特定比例和种类的激发剂，有效调控了地质聚合物的硬化过程，实现了与打印过程的匹配。一种应用所述地质聚合物复合材料进行粉末黏合3D打印的方法，该方法包括以下步骤：(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂。第一组为：0.3～0.6份粉煤灰、0.3～0.8份高炉矿渣粉、0.4～0.6份石英粉、0～0.2份碱激发剂粉末、0.02～0.04份PVA粉末。第二组为：0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0.002～0.005份冷却液、0.002～0.005份吡咯烷酮液、0.2～0.3份水。(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌10min；(3)将第二组中0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0.002～0.005份冷却液、0.002～0.005份吡咯烷酮溶液溶于0.2～0.3份水中，然后水浴冷却至室温制备出粘结剂；(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组黏结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。根据岩体物理模型中区域的设计强度，在对应区域喷射相应组成和浓度的粘结剂。铺粉厚度为0.2-0.8mm。(5)最后将打印的试件进行后期养护，提高材料的强度。与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是：1)所述的地质聚合物复合材料的组成与水泥或石膏不同，包括粉煤灰、工业废渣等硅铝相原料和激发剂两部分。将粉煤灰、矿渣粉、石英粉和碱激发剂粉等作为粉料进行铺设，把强碱和偏硅酸钠作为粘结剂进行喷射。所专利技术的粉体材料具有优异的粒径级配分布，铺设密实，铺粉效果好。2)所设计的粘结剂的粘度小，喷出的粘合剂在现有的地质聚合物粉末中可以均匀分布3)通过控制粘结剂的浓度和组分，可实现多强度类岩石材料和复杂岩体的物理模型的制备。具体实施方式一种用于复杂岩体物理模型的粉末粘结3D打印地质聚合物复合材料，按重量份数计，地质聚合物的组成和含量分别为：0.3～0.6份粉煤灰、0.3～0.8份高炉矿渣粉、0.4～0.6份石英粉、0～0.2份碱发剂粉末、0.02～0.04份PVA粉末、0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：按重量份数计，地质聚合物的组成和含量分别为：0.3～0.6份粉煤灰、0.3～0.8份高炉矿渣粉、0.4～0.6份石英粉、0～0.2份碱激发剂粉末、0.02～0.04份PVA粉末、0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0.002～0.005份吡咯烷酮液、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.3份水。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：按重量份数计，地质聚合物的组成和含量分别为：0.3～0.6份粉煤灰、0.3～0.8份高炉矿渣粉、0.4～0.6份石英粉、0～0.2份碱激发剂粉末、0.02～0.04份PVA粉末、0～0.02份强碱粉末、0～0.01份无水偏硅酸钠粉末、0.002～0.005份吡咯烷酮液、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.3份水。


2.根据权利要求1所述的一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：粉煤灰和高炉矿渣粉的最大粒径为0.1mm。


3.根据权利要求1所述的一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：所述的硅酸钠粉末的最大粒径为0.05mm。


4.根据权利要求1所述的一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：所述的石英粉的粒径最大为0.6mm。


5.根据权利要求1所述的一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：所述的激发剂粉末是硅酸钠粉末或硅酸钾粉末中的一种，硅酸钾和硅酸钠的模数为1-3.2。


6.根据权利要求1所述的一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地聚物复合材料，其特征在于：强碱粉末是氢氧化钠粉末或者氢氧化钾粉末。

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【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，李之建，范立峰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11