一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，包括以下步骤：步骤S1、将水泥基材料放置到混凝土3D打印机的挤出设备内；所述挤出设备设置有第一温控系统，所述第一温控系统控制所述挤出设备内温度为10℃

【技术实现步骤摘要】
一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法


[0001]本专利技术涉及水泥基3D打印
，特别涉及一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法。

技术介绍

[0002]近年来，基于挤出和逐层堆积的水泥基3D打印技术在建筑和土木工程领域发展迅速，水泥基3D打印技术多用于打印异形永久性模板(即联模制造)、景观型构筑物等，其中，联模制造即依据3D打印优势，打印薄壁异形模板，内置钢筋笼(钢筋网片等)后浇筑形成一体，从而提升制造过程的智能化，经济化，高效化、绿色化。景观型构筑物，以中小跨径景观型拱桥、隧道洞口装饰、景观小品等为主。目前，薄壁异形打印构件即薄壁构件的连续不间断堆叠单一构件高度为0.5m～1m，且现有的薄壁构件多为实心或内置格构的打印构件组成一个完整的大型构筑物或模板，这样的薄壁构件存在形状复杂、精度要求极高，部分薄壁构件还要求壁厚超薄。
[0003]薄壁构件打印过程中水泥基材料性能参数和打印环境的固有属性能够显著影响制品的性能与制备效率，导致难以实现3D打印结构的稳定控制。由于打印时传统水泥基材料存在流变性能和早期力学性能较差、打印材料与挤出装置的匹配性能较差，而且触变性浆体会影响打印后实体结构的力学性能等方面的不足，使传统水泥基材料难以在3D打印技术中进行实际应用。为满足3D打印技术材料的要求，现有的部分研究专门研发了适用于3D打印技术的水泥基材料，通常引入辅助胶凝和黏土材料或者外加剂等对3D打印建筑材料流变性进行调控，进而稳定3D打印结构。专利CN 111302709 A公开了关于3D打印用碱激发胶凝材料及其打印方法，该碱激发胶凝材料由颗粒混合物和碱激发剂溶液两部分组成；所述颗粒混合物包括：具有碱激发活性的粉体100份；促凝剂0～5份；纳米颗粒0～0.5份；短切纤维0.1～5份；骨料100～220份和细填料5～20份；所述碱激发剂溶液包括：碱溶液100份；表面活性剂0.0005～0.002份；消泡剂0.0001～0.0005份和稳定剂0.0003～0.001份；表面活性剂的亲水亲油平衡值为7～9，其使得碱激发剂溶液的接触角为10～45
°
，本专利技术的打印方法可实现薄壁构件的打印。专利CN112125618A提供了一种高触变性3D打印水泥基材料及其制备方法与应用，所述水泥基材料的原料包括如下组分：复合胶凝组分65～100份、多孔碳材料0.1～0.4份、膨胀珍珠岩1～3份、石英砂20～40份、增稠剂0.5～1.5份、减水剂0.4～1.2份、水30～50份，本专利技术提出的高触变性3D打印水泥基材料能够很好地满足3D打印所必需的连续性和挤出性，从而获得3D打印所必需的低变形和高力学性能。
[0004]除了3D打印技术对打印材料的要求较高之外，更重要的是3D打印技术与水泥基打印材料之间存在匹配性较差的问题，导致难以实现薄壁构件结构和力学性能的稳定控制。目前现有的3D打印技术是通过降低打印头行走速度，增加填充率，或通过对多个构件进行切片同步打印完成，以延长单一打印层的打印时间，从而一定程度上提升构件的打印稳定性与成功率，但是，不管哪种方式，都可能出现断点或造成材料的浪费，从而大大降低了打印效率与构件表观质量，增加了装配难度、打印构件间的弱连接面数量，易造成不必要的经
济损失。打印构件的成功率与一次性连续堆叠高度(一次性连续堆叠层数)、异形程度(悬挑程度)、薄壁程度(任一打印切片截面面积或打印条平行的条数)、打印工具端行走速度成反比，打印成功率会受材料、打印环境的影响。因此，需要开发薄壁构件的3D打印水泥基建造方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的3D打印技术与水泥基打印材料之间存在匹配性较差，打印成功率会受材料、打印环境的影响，导致难以实现薄壁构件结构和力学性能的稳定控制的问题，提供一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、将水泥基材料放置到混凝土3D打印机的挤出设备内；所述挤出设备设置有第一温控系统，所述第一温控系统控制所述挤出设备内温度为10℃
±
5℃；
[0009]步骤S2、根据薄壁构件的模型设置挤出设备的打印参数，通过3D打印技术在打印平台上由下到上逐层进行打印，形成初始构件；所述打印参数包括泵送速度、打印路径、切片层高、挤出速度、行走轨迹速度、切片方向、填充模式、挤出工具端、打印层间隔时间等，打印层间隔时间为10s～300s，切片层高为10mm～30mm；所述打印平台设置有第二温控系统，所述第二温控系统用于对所述打印平台上打印的所述水泥基材料进行温度控制；
[0010]步骤S3、在打印平台上将初始构件在45℃
±
5℃下养护，得到薄壁构件。
[0011]本专利技术的建造方法采用水泥基材料制备薄壁构件，具有很好的可挤出性和可建造性，挤出设备设置有第一温控系统和打印平台上设置有第二温控系统，第一温控系统能控制挤出设备内水泥基材料的温度，可避免组成、环境条件扰动而对料浆性能产生突变影响，进而造成堵塞、断料等问题；所述第二温控系统根据材料参数对打印平台上打印的水泥基材料进行温度控制，所述第二温控系统的设置可以缩小同高度打印层水泥基材料的初凝或终凝时间，避免时间节点相差过大，从而相邻打印层之间易出现冷缝，降低薄壁构件的整体性能的问题，同时打印平台上的温度能使底层的打印层对上层的打印层起到支撑作用，打印层不崩塌，提升打印长细比较大薄壁构件的成功率。
[0012]进一步地，所述水泥基材料包括以下重量份的组分：40～80份硅酸盐水泥，20～80份粉煤灰，15～50份硅灰，20～50份矿粉，100～210份石英砂，28.5～63份水，0.20～0.40份减水剂，0.20～0.40份增强纤维，0.005～0.03份增稠剂，1～5份速凝剂。
[0013]进一步地，所述粉煤灰为F类一级粉煤灰，所述矿粉为S95矿粉，所述石英砂的规格为40～80目；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，所述增强纤维为PVA纤维、玄武岩纤维等中的一种或多种，所述增强纤维采用易分散型纤维，所述增稠剂为羟乙基甲基纤维素，所述速凝剂为甲酸钙、碳酸锂等粉质速凝剂中的一种或两种。
[0014]进一步地，所述水泥基材料的制备方法包括以下步骤：
[0015](1)将所述水泥基材料的组分分成四组，将第一组组分2.85～6.3份水、0.005～0.03份增稠剂混合，搅拌，搅拌至混合溶液整体呈凝胶状或有一定粘稠度，得到第一溶液；
[0016](2)将第三组组分40～80份硅酸盐水泥、20～80份粉煤灰、15～50份硅灰和20～50份矿粉放入立轴式搅拌机进行充分搅拌，搅拌，继续加入第二组组分0.2～0.4份减水剂、
0.2～0.4份增强纤维，1～5份速凝剂和22.8～50.4份水，搅拌，再将第一溶液加入到已混合均匀的拌合物中，进行混合搅拌，直至混合均匀，得到第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、将水泥基材料放置到混凝土3D打印机的挤出设备内；所述挤出设备设置有第一温控系统，所述第一温控系统控制所述挤出设备内温度为10℃
±
5℃；步骤S2、根据薄壁构件的模型设置挤出设备的打印参数，通过3D打印技术在打印平台上由下到上逐层进行打印，形成初始构件；所述打印参数包括泵送速度、打印路径、切片层高、挤出速度、行走轨迹速度、挤出工具端、打印层间隔时间，打印层间隔时间为10s～300s，切片层高为10mm～30mm；所述打印平台设置有第二温控系统，所述第二温控系统用于对所述打印平台上打印的所述水泥基材料进行温度控制；步骤S3、在打印平台上将初始构件在45℃
±
5℃下养护，得到薄壁构件。2.根据权利要求1所述的基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，其特征在于，所述水泥基材料包括以下重量份的组分：40～80份硅酸盐水泥，20～80份粉煤灰，15～50份硅灰，20～50份矿粉，100～210份石英砂，28.5～63份水，0.20～0.40份减水剂，0.20～0.40份增强纤维，0.005～0.03份增稠剂，1～5份速凝剂。3.根据权利要求2所述的基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，其特征在于，所述粉煤灰为F类一级粉煤灰，所述矿粉为S95矿粉，所述石英砂的规格为40～80目；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，所述增强纤维为PVA纤维或玄武岩纤维，所述增稠剂为羟乙基甲基纤维素，所述速凝剂为甲酸钙、碳酸锂中的一种或两种。4.根据权利要求2所述的基于水泥基3D打印的薄壁构件建造方法，其特征在于，所述水泥基材料的制备方法包括以下步骤：(1)将所述水泥基材料的组分分成四组，将第一组组分2.85～6.3份水、0.005～0.03份增稠剂混合，搅拌，搅拌至混合溶液整体呈凝胶状或有一定粘稠度，得到第一溶液；(2)将第三组组分40～80份硅酸盐水泥、20～80份粉煤灰、15～50份硅灰和20～50份矿粉放入立轴式搅拌机进行充分搅拌，搅拌，继续加入第二组组分0.2～0.4份减水剂、0.2～0.4份增强纤维，1～5份速凝剂和22.8～50.4份水，搅拌，再将第一溶液加入到已混合均匀的拌合物中，进行混合搅拌，直至混合均匀，得到第二溶液；(3)将第四组组分2.85～6.3份水和1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伯林，姚晓飞，杨敏，刘世龙，吴庆，梁怡爽，柏松林，刘声均，
申请(专利权)人：中交第一公路勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：