一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法

一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法
技术领域
1.本发明涉及建筑材料先进制备技术领域，具体涉及一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法。


背景技术：

2.传统的水泥基材料具有抗拉强度低、韧性不足和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，因此，传统的水泥基材料在遭受地震、爆炸冲击等作用下，极易发生不可预兆的脆性破坏行为。并存在触发建筑结构构件失效或整体坍塌破坏的潜在风险，给人民的生命财产安全和城市抵御灾害能力带来了巨大的挑战。产生脆性破坏的主要原因为内部微观结构的高度无序性以及大量存在的薄弱界面、微裂纹等缺陷。
3.建筑3d打印水泥基材料同样存在上述的韧性不足的问题，这是因为打印水泥基材料存在层间粘结强度不足、微观结构有序性差以及大量的薄弱界面、微裂纹等缺陷造成的。使得水泥基材料3d打印的应用受到了一定的限制，阻碍其进一步发展。
4.因此，对于水泥基材料，需要开发一种高强度、高韧性的3d打印制备方法，解决当前工程材料存在层间薄弱界面，结构无序和质脆易碎的关键科学问题


技术实现要素：

5.为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，实现水泥基材料强度与韧性的同步增强。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.步骤一，原材料准备与处理
9.内轴所用的原材料为普通硅酸盐水泥、缓凝剂、减水剂和增塑剂，通过球磨细化处理内轴原材料，将内轴原材料制备成粒径分布在200nm到10μm范围的超细粉末原料；外轴所用的原材料为弹性增塑材料和纤维材料，所述弹性增塑材料为聚乙烯醇、水性环氧树脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇混合而成的水溶液；
10.步骤二，打印浆料制备
11.内轴浆料，将球磨细化好的超细粉末原料按比例配制好，然后通过高速剪切搅拌机以3000-5000r/min的转速搅拌均匀；
12.外轴增强浆料：将纤维材料加入到弹性增塑材料的水溶液中，搅拌均匀；
13.步骤三，同轴打印平台构建
14.采用伺服电机和高精度传动丝杠，并结合空间限位器、升降台等辅助部件，搭建具有x、y、z空间三轴方向快速传动和高精度定位功能的三轴机械平台，定位精度为1-10μm；采用微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，进行浆料推进和压力反馈与控制；制造同轴打印喷嘴；
15.步骤四，强韧化水泥基材料打印
16.采用电脑软件(cad、3dmax、solidworks等)进行结构化设计，将处理好的stl模型切片数据导入计算机数控端，计算机将数字信号传输到通讯板，通过控制通讯板连接控制电脑(g-code驱动软件)、同步发出供墨通讯指令和打印驱动指令；基于微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，待同轴供墨通讯指令发出后，打开不同通道的气体电磁控制阀，使得内外管道形成可打印的带压浆料，然后浆料经由同轴打印针头按需、定量、均匀挤出，最终通过层层沉积的方式形成刚-柔两相交错叠合的“砖-泥”层状水泥基结构；
17.步骤五，养护水化
18.将打印成型水泥基材料经过标准条件进行养护，最后形成具有高强、高韧性的水泥基材料。
19.进一步的，在步骤一中，所述缓凝剂为磷酸盐和醇类；所述减水剂为聚羧酸类和木质素磺酸盐；所述增塑剂为聚乙烯醇和脂肪酸酯。
20.进一步的，在步骤一中，所述纤维材料为玻璃纤维和碳纤维。
21.进一步的，在步骤二中，所述超细粉末原料的比例为普通硅酸盐水泥50-70wt％、缓凝剂1-3wt％、减水剂0.5-2wt％、增塑剂2-5wt％、水30-40wt％。
22.进一步的，在步骤二中，所述纤维材料的含量为2-5wt％。
23.进一步的，在步骤三中，所述同轴打印喷嘴包括内层喷头套筒1和外层喷头套筒2，所述内层喷头套筒1套设在外层喷头套筒2内部，所述内层喷头套筒1与外层喷头套筒2之间通过螺钉3连接，所述内层喷头套筒1的外壁与外层喷头套筒2的内壁之间安装有气压密封圈4；所述内层喷头套筒1的后端为内管进料口101，所述内层喷头套筒1的前端为内管出料口103，所述内层喷头套筒1的内部为内层储料腔102；所述外层喷头套筒2的后端为连接端201，所述连接端201内套设有内层喷头套筒1，所述外层喷头套筒2的前端为外管出料口202，所述外层喷头套筒2的内部为外层储料腔203，所述外层喷头套筒2的外壁上开设有两个与外层储料腔203相通的外管进料口204。
24.进一步的，所述气压密封圈4为氟橡胶机械密封圈。
25.进一步的，在步骤五中，标准养护条件为：湿度＞95％，温度20
±
2℃。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.本发明提供了一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，通过融合微界面聚合物增韧机制，实现了多尺度仿生结构精确构筑和强韧化性能调控。制备得到了高强度和高韧性的新型水泥基工程材料，解决了水泥基材料强度与韧性互斥的瓶颈问题。因此提高了结构抵御灾害的风险能力、保障了钢筋-混凝土长期协同工作，促进了土木工程领域低能耗、绿色化发展。
28.本发明中的同轴打印喷头结构精巧、材料挤出均匀稳定、使用方便且结构单元容易建造，打印过程中水泥基浆体和粘结性良好的聚合物浆体交错叠合形成复杂层状结构，大大提高了水泥基材料的强度和韧性，减少了3d打印混凝土材料层间的微观裂纹和薄弱界面，实现了水泥基材料的强韧化，对提高建筑结构抵御灾害风险能力、保障钢筋-混凝土长期协同工作，以及促进土木工程领域低能耗、绿色化发展具有重要的意义。
附图说明
29.附图用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
30.图1为本发明中同轴打印喷嘴的结构示意图；
31.图2为本发明中同轴打印喷嘴的剖视图；
32.图3为本发明的制备方法制备得到的水泥基强韧化材料；
33.图4为本发明制得的水泥基强韧化材料的立方体抗压测试图。
34.图中所示：内层喷头套筒1，外层喷头套筒2，螺钉3，气压密封圈4，内管进料口101，内层储料腔102，内管出料口103，连接端201，外管出料口202，外层储料腔203，外管进料口204。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.实施例1
37.一种基于3d同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
38.步骤一，原材料准备与处理
39.内轴所用的原材料为普通硅酸盐水泥、缓凝剂、减水剂和增塑剂，通过球磨细化处理内轴原材料，将内轴原材料制备成粒径分布在200nm到10μm范围的超细粉末原料；外轴所用的原材料为弹性增塑材料和纤维材料，所述弹性增塑材料为聚乙烯醇、水性环氧树脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇混合而成的水溶液；
40.步骤二，打印浆料制备
41.内轴浆料，将球磨细化好的超细粉末原料按比例配制好，然后通过高速剪切搅拌机以3000-5000r/min的转速搅拌均匀；
42.外轴增强浆料：将纤维材料加入到弹性增塑材料的水溶液中，搅拌均匀；
43.步骤三，同轴打印平台构建
44.采用伺服电机和高精度传动丝杠，并结合空间限位器、升降台等辅助部件，搭建具有x、y、z空间三轴方向快速传动和高精度定位功能的三轴机械平台，定位精度为1-10μm；采用微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，进行浆料推进和压力反馈与控制；制造同轴打印喷嘴；
45.步骤四，强韧化水泥基材料打印
46.采用电脑软件(cad、3dmax、solidworks等)进行结构化设计，将处理好的stl模型切片数据导入计算机数控端，计算机将数字信号传输到通讯板，通过控制通讯板连接控制电脑(g-code驱动软件)、同步发出供墨通讯指令和打印驱动指令；基于微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，待同轴供墨通讯指令发出后，打开不同通道的气体电磁控制阀，使得内外管道形成可打印的带压浆料，然后浆料经由同轴打印针头按需、定量、均匀挤出，最终通过层层沉积的方式形成刚-柔两相交错叠合的“砖-泥”层状水泥基结构；
47.步骤五，养护水化
48.如图3所示，将打印成型水泥基材料经过标准条件进行养护，最后形成具有高强、高韧性的水泥基材料。
49.进一步的，在步骤一中，所述缓凝剂为磷酸盐和醇类；所述减水剂为聚羧酸类和木质素磺酸盐；所述增塑剂为聚乙烯醇和脂肪酸酯。
50.进一步的，在步骤一中，所述纤维材料为玻璃纤维和碳纤维。
51.进一步的，在步骤二中，所述超细粉末原料的比例为普通硅酸盐水泥50-70wt％、缓凝剂1-3wt％、减水剂0.5-2wt％、增塑剂2-5wt％、水30-40wt％。
52.进一步的，在步骤二中，所述纤维材料的含量为2-5wt％。
53.进一步的，在步骤三中，如图1和图2所示，所述同轴打印喷嘴包括内层喷头套筒1和外层喷头套筒2，所述内层喷头套筒1套设在外层喷头套筒2内部，所述内层喷头套筒1与外层喷头套筒2之间通过螺钉3连接，所述内层喷头套筒1的外壁与外层喷头套筒2的内壁之间安装有气压密封圈4；所述内层喷头套筒1的后端为内管进料口101，所述内层喷头套筒1的前端为内管出料口103，所述内层喷头套筒1的内部为内层储料腔102；所述外层喷头套筒2的后端为连接端201，所述连接端201内套设有内层喷头套筒1，所述外层喷头套筒2的前端为外管出料口202，所述外层喷头套筒2的内部为外层储料腔203，所述外层喷头套筒2的外壁上开设有两个与外层储料腔203相通的外管进料口204。
54.进一步的，所述气压密封圈4为氟橡胶机械密封圈。
55.进一步的，在步骤五中，标准养护条件为：湿度＞95％，温度20
±
2℃。
56.实施例2
57.通过宏观尺度的立方体抗压测试其强度和韧性。
58.压缩试样内层采用普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5),外层采用环氧树脂作为粘结层打印、养护制备的样品。采用万能实验机将尺寸为3
×3×
3cm3的立方体抗压试样进行抗压实验，如图4所示，可以看出抗压强度大于40mpa，破坏应变约为2.4％，这一数据明显高于传统水泥材料强度和韧性。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
60.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。