基于3D打印的混凝土及其制备方法、3D打印柱模板与流程

基于3d打印的混凝土及其制备方法、3d打印柱模板
技术领域
1.本发明涉及建筑工程领域，特别是一种基于3d打印的混凝土及其制备方法、3d打印柱模板。


背景技术：

2.近年来，3d打印技术在建筑领域以其快制造流程、无模板成本、低劳动力输出以及高自由度释放等优点取得了巨大突破。例如，3d打印混凝土建筑、桥梁以及构件的出现。然而，3d打印混凝土技术作为一种创新性非常规技术实际生产中因现有标准和规程的阻碍较难以转向实践。
3.对于3d打印来说，材料的配合比问题不仅是重点，更是难点。既要满足可挤出性来保证材料可以顺利通过打印管道和喷嘴，又要满足可建造性来避免材料挤出后由于流动性过大导致产生塌陷的问题。此外，应用于建筑行业的工程材料，也应当具有良好的力学性能，能够满足抗弯性能要求来抵抗裂纹形成，避免脆性破坏。
4.授权公告号为cn108129102b的发明专利公开了一种“可3d打印的pva～玄武岩混杂纤维高韧性混凝土及使用方法”，但是为了满足可打印性，3d打印对纤维的长度、刚度等要求极高，而该专利采用了pva～玄武岩混杂纤维，玄武岩纤维是一种硬纤维，容易造成打印过程中发生堵塞现象，可能会导致打印过程中需额外添加润滑剂，进而造成原料配比不定量，无法准确研究其性能。
5.申请公布号为cn110540394a的发明专利申请公开了“一种适用于3d打印混凝土剪切力墙的材料及其制备方法”，该专利采用了聚丙烯短纤维，而采用短纤维若要达到适宜的抗拉强度需提高纤维量，一旦提高纤维量即会增加打印的堵塞率，不利于打印；且该专利掺有生石灰，生石灰具有遇水即放出大量热量的特性，可能会加大打印完成后试样的开裂率；同时，该专利采用20～40目石英砂、50～80目石英砂掺合搅拌，导致打印样品表面质量粗糙，所以不宜打印精细试样。
6.另外，目前工程建筑柱子施工中，柱模板的主要结构形式是木模板、钢模板或铝模板，这种传统的方法需要投入大量人力成本以及材料浪费。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于3d打印的混凝土及其制备方法、3d打印柱模板，使其打印出来的构件具备良好的抗压性能和抗弯性能，同时还可解决现有技术存在的容易发生堵塞、试样的开裂率大、不宜打印精细试样、人力成本高、浪费材料的不足之处。
8.解决上述技术问题的技术方案是：一种基于3d打印的混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥80～120份；硅灰10～15份；
快凝快硬硫铝酸盐水泥4～7份；石英砂60～85份，最大粒径为0.21mm；水30～50份；减水剂1～2份；膨胀剂1～2份；消泡剂0.4～0.6份；引气剂0.02～0.04份；纤维素0.04～0.06份；聚乙烯醇纤维0.1～0.5份；碳纤维0.05～0.15份。
9.本发明的进一步技术方案是：所述减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸系高性能减水剂。
10.本发明的再进一步技术方案是：所述的纤维素采用羧甲基纤维素钠。
11.本发明的另一技术方案是：一种基于3d打印的混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：a、按质量份数称取各原料；b、将聚乙烯醇纤维、碳纤维与普通硅酸盐水泥、硅灰、快凝快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、膨胀剂、纤维素以及消泡剂倒入搅拌机中混合5～10 min，得到均匀的干粉混合物；c、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；d、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约20～40s后，立刻加入引气剂，再接着搅拌3～8min，待全部原料均搅拌均匀后出料；e、将出料后的混合物进行浇筑或运输到泵送车中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行打印样品制备。
12.本发明的进一步技术方案是：在步骤a中，各原料的质量份数如下：普通硅酸盐水泥80～120份；硅灰10～15份；快凝快硬硫铝酸盐水泥4～7份；石英砂60～85份，最大粒径为0.21mm；水30～50份；减水剂1～2份；膨胀剂1～2份；消泡剂0.4～0.6份；引气剂0.02～0.04份；纤维素0.04～0.06份；聚乙烯醇纤维0～0.5份；碳纤维0～0.15份。
13.本发明的再进一步技术方案是：在步骤d中，所述的全部原料均搅拌的具体过程如下：在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌2～4min。
14.本发明的又一技术方案是：一种3d打印柱模板，该3d打印柱模板采用所述的基于3d打印的混凝土打印而成，且3d打印柱模板在受拉一侧配置有计算纵向钢丝，在受压一侧配置有纵向构造钢丝。
15.本发明的进一步技术方案是：所述计算纵向钢丝的面积通过以下公式确定：f
y
a
s
=0.1n(h
‑
b/2)，f
y
为钢丝的抗拉强度，单位为mpa，a
s
为钢丝的截面面积，单位为mm2，n为柱子承担的实际荷载，单位为n，h为3d打印柱模板的空心部分高度，单位为mm，b为3d打印柱模板的实际厚度，单位为mm。
16.本发明的再进一步技术方案是：该3d打印柱模板的模腔内表面为经喷砂或凿毛后的粗糙表面。
17.本发明的再进一步技术方案是：该3d打印柱模板的外表面涂抹有工程水泥基复合材料涂层。
18.由于采用上述结构，本发明之基于3d打印的混凝土及其制备方法、3d打印柱模板与现有技术相比，具有以下有益效果：1. 打印出来的构件具备良好的抗压性能本发明的混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥80～120份；硅灰10～15份；快凝快硬硫铝酸盐水泥4～7份；石英砂60～85份，最大粒径为0.21mm；水30～50份；减水剂1～2份；膨胀剂1～2份；消泡剂0.4～0.6份；引气剂0.02～0.04份；纤维素0.04～0.06份；聚乙烯醇纤维0.1～0.5份；碳纤维0.05～0.15份。其中，本发明采用石英砂和硅灰作为掺和料，而且石英砂的粒径小于0.21mm，具有良好的级配，用其作为细骨料，能起到良好的骨架作用，同时提高对凝胶材料（普通硅酸盐水泥、快凝快硬硫铝酸盐水泥、硅灰）的吸附作用。而硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，可显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。本发明运用所述石英砂和硅灰后，在《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081～2002)规范下进行抗压实验，测得标准试块平均抗压强度达75mpa以上， 相对于掺入一般级配的石英砂与硅灰而言，抗压强度能提升6.25%。
19.2. 打印出来的构件具备良好的抗弯性能本发明混凝土配方中同时掺入聚乙烯醇纤维（pva）与碳纤维（cf），可以显著提高混凝土材料的韧性、抗弯性能、抗冲击性能等，本发明所用聚乙烯醇纤维的主要特点是强度高、模量高、伸度低、耐磨、抗酸碱、耐候性好，在《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》（gb/t21120～2007）规范下实测段裂伸长率达6%～7%，抗拉强度高达1800mpa，初始弹性模量高达40gpa，与水泥、石膏等基材有良好的亲和力和结合性，而单独使用聚乙烯醇纤维时，由于其掺量低，导致混凝土相对抗拉面积小，抗弯效果不明显。而碳纤维具备碳材料强抗拉力的特征，是一种力学性能优异的新材料，其拉伸强度约为2～7gpa，拉伸模量约为200～700gpa，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，而单独使用碳纤维，又不利于混凝土的经济性。将pva纤维与碳纤维结合，能显著提高混凝土的抗弯强度，性价比高。
20.3.打印效果好本发明运用羧甲基纤维素钠（cmc～na），利用其优异的保水性能，使得混凝土具备
良好的触变性，使得混凝土在打印时，黏度变小，在完成打印后，黏度增大，大大改善了打印混凝土的均匀性以及混凝土间的粘结度；本发明运用膨胀剂，能起到补偿收缩以及充分填充水泥间隙的作用，有效提高混凝土的流动性；本发明选取减水率大于25%的聚羧酸系高效减水剂（sp）来降低水胶比，既能使混凝土达到所需流动性，又能避免其在打印挤出过程中发生离析现象，进而提高强度；本发明运用消泡剂和引气剂，利用消泡剂可降低混合液的表面张力的特点，利用引气剂在搅拌过程中能产生大量微小气泡的特点，有效改善了混凝土的表面质量，使得混凝土更加光滑易塑。因此，由于本发明的流动性好、表面质量好、触变性好，其打印效果非常好。
21.4. 能避免发生堵塞现象本发明提出的混凝土配方中采用了碳纤维，碳纤维同时具备碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，在极大改善混凝土的抗弯强度的同时，又能有限避免由于纤维过硬导致打印堵塞的现象，从而也避免了需要添加润滑剂而造成的原料配比不定量，无法准确研究其性能的现象。
22.此外，本发明的混凝土配方中还掺入了特定的膨胀剂、消泡剂、引气剂以及纤维素，打印具备更好的触变性、流动性，使得打印材料沉积时具有更好的可建造性，减少底层混凝土成型的时间，打印成品具备更好的表面质量。
23.5. 开裂率低、适宜打印精细试样本发明运用的纤维均为柔软长纤维，打印堵塞率低；而且混凝土间黏聚力大，打印完成后试样的开裂率低，并且采用的膨胀剂（ea）能有效提高混凝土的抗裂防水性；同时打印出来的试样表面质量好，适宜打印精细试样。
24.6.性能优由于纤维掺入胶凝材料中，可以限制外力作用下裂缝的扩展。若纤维的掺量合适，则复合材料可承受较大的荷载并产生较大的变形，大幅度提高抗弯强度和弯曲韧性。而且在3d打印胶凝复合材料中加入适量的纤维也能够改善材料的触变性能，提高静态屈服扭矩并且降低动态屈服扭矩和塑性粘度，这对材料打印性能的优化做出了显著的贡献。
25.7. 降低人力成本、节省材料、提高效率本发明的3d打印柱模板采用基于3d打印的混凝土打印而成，且柱模板在受拉一侧配置有计算纵向钢丝，在受压一侧配置有纵向构造钢丝，这种方法能彻底改变传统的建筑和施工工艺，在低成本、高效率的自动化施工、建筑设计自由度、减少施工过程中的劳动力需求和风险等方面具有明显的优势。实践证明，建筑3d打印可以节约60%的建筑垃圾、70%的生产时间和80%的人工成本。
26.8. 能防止柱模在运输、施工过程中损坏等问题本发明的3d打印柱模板按用途在受拉一侧配置有计算纵向钢丝，受压一侧配置纵向构造钢丝，能有效提高柱模的韧性，提高抗弯、抗裂、抗扭能力，有效防止柱模在运输、施工过程中损坏等问题。
27.9. 可降低偏心荷载下发生开裂的概率由于柱子工作过程中往往处于偏向荷载作用，本发明的3d打印柱模板中，钢丝的设置能给柱子在服役过程中增加开裂安全储备，进一步降低偏心荷载下发生开裂的概率。
28.10. 能提高模板与后浇混凝土的结合能力
本发明的3d打印柱模板在浇筑完成后对柱模板内表面进行喷砂或凿毛处理，能提高模板与后浇混凝土的结合能力。
29.11．可弥补打印过程存在的细小打印缝本发明的3d打印柱模板在打印完成后，在柱模板外表面涂抹一层工程水泥基复合材料涂层，能使得柱模板外表面光滑、平整，弥补了由于打印过程存在的细小打印缝，同时也进一步增强柱模板的韧性，降低柱模板在运输、施工过程中损坏的风险，并有效提高柱模板的防腐能力。
30.下面，结合说明书附图和实施例对本发明之基于3d打印的混凝土及其制备方法、3d打印柱模板的技术特征作进一步的说明。
附图说明
31.图1：实施例五所述3d打印柱模板的立体结构示意图，图2：实施例五所述3d打印柱模板的平面结构示意图（柱模板内孔有普通混凝土和钢盘笼），图3：图2的a
‑
a剖视图。
具体实施方式
32.实施例一一种基于3d打印的混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥80份；硅灰10份；快凝快硬硫铝酸盐水泥4份；石英砂60份，最大粒径为0.21mm；水30份；减水剂1份；膨胀剂1份；消泡剂0.4份；引气剂0.02份；纤维素0.04份；聚乙烯醇纤维0.1份；碳纤维0.05份。
33.所述的普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、5%
‑
20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；所述的减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸系高性能减水剂；所述的纤维素采用羧甲基纤维素钠；所述的膨胀剂采用混凝土膨胀剂。
34.所述的基于3d打印的混凝土的制备方法包括以下步骤：a、按质量份数称取各原料：普通硅酸盐水泥80份；硅灰10份；快凝快硬硫铝酸盐水泥4份；石英砂60份，最大粒径为0.21mm；水30份；减水剂1份；膨胀剂1份；消泡剂0.4份；引气剂0.02份；纤维素0.04份；聚乙烯醇纤维0.1份；碳纤维0.05份；b、将聚乙烯醇纤维、碳纤维与普通硅酸盐水泥、硅灰、快凝快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、膨胀剂、纤维素以及消泡剂倒入搅拌机中混合5 min、得到均匀的干粉混合物；c、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；d、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约20s后，立刻加入引气剂，再接着搅拌3min，在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌2min；全部原料均搅拌均匀后出料；e、将出料后的混合物进行浇筑或运输到泵送车中，并由泵料管道将其泵送到打印
喷头处挤出，即可进行打印样品制备。
35.实施例二一种基于3d打印的混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥100份；硅灰12份；快凝快硬硫铝酸盐水泥5份；石英砂70份，最大粒径为0.21mm；水40份；减水剂1.3份；膨胀剂1.4份；消泡剂0.5份；引气剂0.03份；纤维素0.05份；聚乙烯醇纤维0.2份；碳纤维0.1份。
36.所述的普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、5%
‑
20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；所述的减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸系高性能减水剂；所述的纤维素采用羧甲基纤维素钠；所述的膨胀剂采用混凝土膨胀剂。
37.所述的基于3d打印的混凝土的制备方法包括以下步骤：a、按质量份数称取各原料：普通硅酸盐水泥100份；硅灰12份；快凝快硬硫铝酸盐水泥5份；石英砂70份，最大粒径为0.21mm；水40份；减水剂1.3份；膨胀剂1.4份；消泡剂0.5份；引气剂0.03份；纤维素0.05份；聚乙烯醇纤维0.2份；碳纤维0.1份；b、将聚乙烯醇纤维、碳纤维与普通硅酸盐水泥、硅灰、快凝快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、膨胀剂、纤维素以及消泡剂倒入搅拌机中混合7min、得到均匀的干粉混合物；c、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；d、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约30s后，立刻加入引气剂，再接着搅拌5min，在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌3min；全部原料均搅拌均匀后出料；e、将出料后的混合物进行浇筑或运输到泵送车中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行打印样品制备。
38.实施例三一种基于3d打印的混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥110份；硅灰13份；快凝快硬硫铝酸盐水泥6份；石英砂80份，最大粒径为0.21mm；水45份；减水剂1.5份；膨胀剂1.8份；消泡剂0.55份；引气剂0.035份；纤维素0.055份；聚乙烯醇纤维0.3份；碳纤维0.12份。
39.所述的普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、5%
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20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；所述的减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸系高性能减水剂；所述的纤维素采用羧甲基纤维素钠；所述的膨胀剂采用混凝土膨胀剂。
40.所述的基于3d打印的混凝土的制备方法包括以下步骤：a、按质量份数称取各原料：普通硅酸盐水泥110份；硅灰13份；快凝快硬硫铝酸盐水泥6份；石英砂80份，最大粒径为0.21mm；水45份；减水剂1.5份；膨胀剂1.8份；消泡剂0.55份；引气剂0.035份；纤维素0.055份；聚乙烯醇纤维0.3份；碳纤维0.12份；b、将聚乙烯醇纤维、碳纤维与普通硅酸盐水泥、硅灰、快凝快硬硫铝酸盐水泥、石
英砂、膨胀剂、纤维素以及消泡剂倒入搅拌机中混合8 min、得到均匀的干粉混合物；c、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；d、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约35s后，立刻加入引气剂，再接着搅拌7min，在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌4min；全部原料均搅拌均匀后出料；e、将出料后的混合物进行浇筑或运输到泵送车中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行打印样品制备。
41.实施例四一种基于3d打印的混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：普通硅酸盐水泥120份；硅灰15份；快凝快硬硫铝酸盐水泥7份；石英砂85份，最大粒径为0.21mm；水50份；减水剂2份；膨胀剂2份；消泡剂0.6份；引气剂0.04份；纤维素0.06份；聚乙烯醇纤维0.5份；碳纤维0.15份。
42.所述的普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、5%
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20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；所述的减水剂采用减水率大于25%的聚羧酸系高性能减水剂；所述的纤维素采用羧甲基纤维素钠；所述的膨胀剂采用混凝土膨胀剂。
43.所述的基于3d打印的混凝土的制备方法包括以下步骤：a、按质量份数称取各原料：普通硅酸盐水泥120份；硅灰15份；快凝快硬硫铝酸盐水泥7份；石英砂85份，最大粒径为0.21mm；水50份；减水剂2份；膨胀剂2份；消泡剂0.6份；引气剂0.04份；纤维素0.06份；聚乙烯醇纤维0.5份；碳纤维0.15份；b、将聚乙烯醇纤维、碳纤维与普通硅酸盐水泥、硅灰、快凝快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、膨胀剂、纤维素以及消泡剂、引气剂、碳纤维倒入搅拌机中混合10 min、得到均匀的干粉混合物；c、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；d、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中，搅拌约40s后，立刻加入引气剂，再接着搅拌8min，在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌4min；全部原料均搅拌均匀后出料；e、将出料后的混合物进行浇筑或运输到泵送车中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行打印样品制备。现将实施例一至实施例四所述的基于3d打印的混凝土进行抗压强度和抗弯强度测试，结果如附表2、附表3所示。
44.附表1—实施例一至实施例四所述基于3d打印的混凝土各原料按质量份数配比表
附表2—实施例一至实施例四所述基于3d打印的混凝土的抗压强度一览表 附表3—实施例一至实施例四所述基于3d打印的混凝土的抗弯强度一览表在附表2
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3中，casting：铸模试件（标准浇筑试件）；fx：打印试件在x方向加载；fy：
打印试件在y方向加载；fz：打试件在y方向加载。
45.实施例五图1
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图3中公开的是一种3d打印柱模板，该3d打印柱模板采用实施例一至实施例四所述的基于3d打印的混凝土1打印而成，且3d打印柱模板在受拉一侧配置有计算纵向钢丝2，在受压一侧配置有纵向构造钢丝3；在3d打印柱模板的模腔内表面为经喷砂或凿毛后的粗糙表面；3d打印柱模板的外表面涂抹有工程水泥基复合材料涂层4，其中在图2、图3中，3d打印柱模板的内孔中安装有钢筋笼5和浇注有普通混凝土6。
46.所述计算纵向钢丝的面积通过以下公式确定：f
y
a
s
=0.1n(h
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b/2)，f
y
为钢丝的抗拉强度，单位为mpa，a
s
为钢丝的截面面积，单位为mm2，n为柱子承担的实际荷载，单位为n，h为3d打印柱模板的空心部分高度，单位为mm，b为3d打印柱模板的实际厚度，单位为mm。
47.所述纵向构造钢丝的面积按有关规范确定。
48.本实施例五所述的3d打印柱模板的制备过程如下：s1.根据工程环境计算柱模板需承担荷载，进而确定柱模板的截面尺寸及高度；s2.开始3d建模，初步完成柱模板设计；s3.计算受拉区计算纵向钢丝配置以及受压区纵向构造钢丝配置，确定选取钢丝面积及配置位置，完成柱模板建模；s4.将3d模型导入分层切片程序中转化为层片格式并进行路径规划，确保打印顺利进行以及精度控制；s5.开始配制柱模板原料，然后将建模数据导入打印机，开始打印；s6.待打印完成后，对3d打印柱模板内表面进行喷砂或通过凿毛工具进行纵向凿毛处理；s7.在3d打印柱模板表面涂抹一层工程水泥基复合材料并刮平；s8.将3d打印柱模板养护完成后，运输至施工现场。