粉末3D打印高强高韧性水泥基材料及其制备方法技术

本发明专利技术为粉末3D打印高强高韧性水泥基材料及其制备方法，属于新材料技术领域。针对粉末3D打印过程中逐层打印降低层间界面粘结性能、打印层材料凝结时间长和强度低降低可建造性和无模养护提高收缩开裂等问题，该方法结合磷酸镁水泥(MPC)高粘结性、快硬早强和粉末3D打印工艺智能性、灵活性及精确性的优势，利用增强增韧液体和增强增韧粉末组分，研制出可粉末3D打印的高强高韧性MPC水泥基材料，解决了粉末3D打印技术对材料早期快硬高强性能、打印层间界面弱化和无模养护需求的问题。粉末3D打印MPC材料的孔隙结构得到优化，劈裂与抗折强度得到显著提高，可应用于对强度和韧性有要求的薄壁、中空、复杂形体等结构。复杂形体等结构。复杂形体等结构。

【技术实现步骤摘要】
粉末3D打印高强高韧性水泥基材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于新材料
，具体为一种粉末3D打印高强高韧性水泥基材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]进入21世纪以来，随着我国社会经济不断高速地发展，我国在航空航天、现代大型工程等领域不断取得突破，对道路桥梁、港口码头、民用机场、国防工程等基础设施的需求量与日俱增，同时人们也对工程中使用的材料提出了更高的要求。纵观全球的土木工程领域，水泥混凝土材料因来源丰富、施工简易、可浇注、耐火、经济、使用寿命长等优点使其成为世界范围内使用量最大也是使用最广泛建筑材料。然而，随着社会科学技术的不断进步和城镇化进程的不断往前推进，人们对水泥材料的要求从传统的承受荷载的作用转变到如今往高性能、多功能以及绿色可持续的方向发展。但水泥材料由于脆性大、韧性差而在工程应用中常常产生大量裂缝。因这样的缺点导致结构承载力下降而引起的诸多问题给国民经济造成了巨大损失。
[0003]虽然相较于传统建筑施工工艺，粉末3D打印具有建筑形状自由、成本低效率高、设计灵活、安全性高、准确度高等几大优势，该技术的创新和发展对传统建筑和建造方法将产生一定的冲击。粉末3D打印技术因可打印材料的要求，其应用受到严重限制。目前，只有快速硬化硅酸盐水泥、铝酸钙水泥、氯氧镁水泥和少量水泥基聚合物可以用于粉末3D打印。然而，这些有限的材料不能满足工业应用的多样性要求，并且没有具体的评定标准，因此必须增加材料的多样性。本专利技术研究一种具有良好性能，且满足低能耗、低污染等节能减排、绿色环保要求的粉末3D打印建筑水泥基材料，对当前该技术的推广应用有着关键作用。
[0004]目前，混凝土材料逐渐应用到更加复杂的结构和更加恶劣的环境中，材料失效造成的问题日益严重。混凝土的力学和耐久性能很大程度上取决于水泥基体的性能，尤其对于高性能水泥基材料，开裂强度和微观结对材料的耐久性非常重要。
[0005]为了克服上述缺点，传统的做法是使用碳纤维、玻璃纤维、钢纤维、石棉纤维、天然纤维和合成纤维等微纤维在毫米或微米尺度下改善水泥材料的抗拉强度和延性；然而，上述的每种纤维虽然在强度、延展性、裂纹控制等方面具有其自身独特的增强效果，但这些纤维仅能从宏观尺度限制材料内部裂纹的扩展，不能限制微裂纹或纳米裂纹的产生。

技术实现思路

[0006]针对目前技术上的不足，本专利技术提供一种粉末3D打印高强高韧性水泥基材料及其制备方法，该方法利用磷酸镁水泥基体、增强增韧液体组分、增强增韧粉末组分等功能材料，在不添加外加剂、早强剂等条件下短时间内实现硬化，制备出适用于各向力学性能优异的粉末3D打印增强增韧的水泥基材料，满足高精度、复杂形状的打印要求。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种粉末3D打印高强高韧性水泥基材料，其特征在于，所述水泥基材料的组成是：
[0009]磷酸镁粉末：MgO在800～1600℃煅烧45min，粒径小于150μm；粉煤灰粒径在100～150μm之间，密度大于2.8g/cm3；磷酸盐粒径小于150μm；石英砂及PVA粒径小于150μm；其中，氧化镁/磷酸盐(摩尔比)＝4/1～5/1；粉煤灰占氧化镁和磷酸盐总量的10～20％；石英砂占氧化镁和磷酸盐总量的15～20％；PVA占氧化镁和磷酸盐总量的3～5％；
[0010]增强增韧液体组分：蒸馏水、表面粘结剂、1,2丙二醇、聚丙烯酸酯(PA)乳液，增强增韧液体组分的表面张力为41.8～47.8mN/m、粘度为1.22～1.67mPa
·
s；
[0011]增强增韧粉末组分：包括增韧活性组分和分散剂，增韧活性组分选自纳米氧化物、多壁碳纳米管、纳米级纤维中的至少一种，增韧活性组分的掺量占磷酸镁粉末质量的0.1～0.5％；
[0012]磷酸镁粉末和增强增韧粉末组分构成MPC粉床，MPC粉床的孔隙率为15～55％。
[0013]所述纳米氧化物外貌形状为球形、平均粒径100～150nm、比表面积10～20m2/g、密度5.88～5.91g/cm3、含量大于99％；多壁碳纳米管长度10～20μm、外径30～50nm、比表面积60m2/g、纯度大于95％；纳米纤维直径为40～60nm，长度5
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10μm；所述纳米氧化物选自于纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化铁、纳米三氧化二铝、纳米二氧化锆；MPC粉床孔隙率为15～55％。
[0014]所述纳米氧化物为掺杂水泥时，能与水泥能发生反应而降低孔隙率的非重金属氧化物；增韧活性组分和分散剂二者按照质量比1：1加入。
[0015]打印试件在三个打印方向上3d抗压强度均在15Mpa以上，且三个打印方向上3d抗折强度均在8Mpa以上，三个方向的抗压强度相差在4MPa以内，三个方向的抗折强度相差在42MPa以内。
[0016]上述的粉末3D打印高强高韧性水泥基材料的制备方法，其特征在于，该方法的步骤是：
[0017]1)将氧化镁和磷酸盐混合搅拌不少于1min，然后加入粉煤灰、石英砂及PVA并搅拌不少于3min，最后加入分散剂、增强增韧粉末组分组分搅拌不少于3min，制备出均匀的可粉末3D打印MPC粉末；
[0018]2)将增强增韧液体组分放入墨盒里，然后将墨盒超声2
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5分钟，打开软件进行喷墨校准，然后将混合好的MPC粉末倒入储料筒之内，之后进行Z轴校准，设置铺粉速度30～45mm/s、振动速度20～40mm/s，设置每层打印厚度为0.15mm，文件自动导入完成后，打印机自行开始打印，打印完成，静止5
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10min后即能去粉取试件。
[0019]和现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0020]1)本专利技术使用纳米材料(粒径在1～100nm)以其表面活性能高、活性强、小尺寸等优于常规材料的这些特点，被应用在水泥基材料中进行改造。纳米材料的颗粒可以对水泥硬化中20～150nm的微孔起到填充作用使得孔隙结构更加合理。纳米颗粒加入到水泥中不仅可以填充水泥的空隙，优化颗粒体系的粒度分布，更重要的是改善其微观结构，提高力学性能。由于纳米粉体的高表面活性和小尺寸效应，以纳米颗粒为核心，大大地提高了水泥硬化的力学强度和渗透性。
[0021]2)本专利技术中磷酸镁粉末设置特定的氧化镁/磷酸盐(摩尔比)＝4/1～5/1和合适的粒径，能够保证粉末打印的顺利进行，不会黏连辊子，且磷酸镁粉末中增加石英砂和PVA能够保证铺粉效果，保证粉末打印的可打印性。
[0022]3)本专利技术中增强增韧粉末组分中均选择纳米材料，MPC粉床孔隙率控制在55％以下，能够有效填充空隙，孔隙率更低，使得粉床更加密实，有助于增强其力学性能。
[0023]4)现在，随着人们环保意识的不断加强，对绿色建筑的要求也越来越高，绿色建筑建设成为未来建筑行业的一个新方向。在混凝土结构中，持久性也是衡量绿色标准的重要指标之一，绿色高性能的混凝土应运而生，目前国外已经采用一些高性能混凝土，国内的一些重点项目对这一方面也本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粉末3D打印高强高韧性水泥基材料，其特征在于，所述水泥基材料的组成是：磷酸镁粉末：MgO在800～1600℃煅烧45min，粒径小于150μm；粉煤灰粒径在100～150μm之间，密度大于2.8g/cm3；磷酸盐粒径小于150μm；石英砂及PVA粒径小于150μm；其中，氧化镁/磷酸盐(摩尔比)＝4/1～5/1；粉煤灰占氧化镁和磷酸盐总量的10～20％；石英砂占氧化镁和磷酸盐总量的15～20％；PVA占氧化镁和磷酸盐总量的3～5％；增强增韧液体组分：蒸馏水、表面粘结剂、1,2丙二醇、聚丙烯酸酯(PA)乳液，增强增韧液体组分的表面张力为41.8～47.8mN/m、粘度为1.22～1.67mPa
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s；增强增韧粉末组分：包括增韧活性组分和分散剂，增韧活性组分选自纳米氧化物、多壁碳纳米管、纳米级纤维中的至少一种，增韧活性组分的掺量占磷酸镁粉末质量的0.1～0.5％；磷酸镁粉末和增强增韧粉末组分构成MPC粉床，MPC粉床的孔隙率为15～55％。2.根据权利要求1所述的粉末3D打印高强高韧性水泥基材料，其特征在于，所述纳米氧化物外貌形状为球形、平均粒径100～150nm、比表面积10～20m2/g、密度5.88～5.91g/cm3、含量大于99％；多壁碳纳米管长度10～20μm、外径30～50nm、比表面积60m2/g、纯度大于95％；纳米纤维直径为40～60nm，长度5
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10μm；所述纳米氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄飞，王楠，李之建，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：