一种用于3d打印的高性能粉末混凝土的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及混凝土技术领域，特别涉及一种在建筑工程中用于3D打印的高性能 粉末混凝土。
【背景技术】
[0002] 实际上，3D打印技术是利用光固化和纸层叠的方式实现快速凝结成型的技术。3D 打印机内装有粉末状树脂、金属或塑料类其他复合型的可粘合材料，与电脑连接后，通过一 层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术可以应用于建筑 行业中，在电脑设计绘制有关建筑物图样后，靠龙门架行走机构实现X轴方向的运动；靠 横梁实现Y方向的运动；靠打印头上部的打印杆实现Z方向的运动。靠打印头自身的伸缩 和转动，实现打印喷头的局部运动，从而通过打印出建筑物的"平面层"的不断堆积，生成不 同的建筑结构。
[0003] 其中，在3D打印机喷头喷出的"油墨"为包括混凝土在内的物料，在中文文献《3D 打印建筑技术与商品混凝土行业展望》（李福平、邓春林、万晶著，详见《混凝土世界》2013 年03期）一文中披露：在3D打印建筑时代，商品混凝土的原材料将会变得更加广泛，比如 胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等等；粗细骨料的质量要求会更高，以满 足3D打印的需要，有可能会采用新的破碎工艺制造出完全不同于现在的材料；外加剂可能 会从根本上发生改变，其在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也完全不同于现在。为满 足3D打印的需要，混凝土将必须具备更好的流变性且能在空气中迅速凝结，骨料最大粒径 会变得更小，颗粒形貌更接近圆形；还需要解决各层之间如何完美无缺的结合问题，这需要 新型外加剂来完成。也就是说，要达到理想的3D打印效果，用于3D打印建筑的混凝土在自 身性质上需要具备以下四个特点：（1)固化速度快；（2)自养护性能好；（3)流动性好，易于 提升与泵送；（4)粘结度高。其中，通过在混凝土中添加自养护剂，可以使混凝土在自然养 护的状态下转化为稳定的结晶，从而得到较大的强度，通过添加减水剂等泵送剂可以改善 混凝土的流动性质。
[0004] 然而，在建筑工程中普遍使用的混凝土并不具备可以用于3D打印的性质，如申请 号为201410262231. X名为"一种超高性能的混凝土"中国发明专利申请公开了一种超高性 能混凝土，所述的超高性能混凝土包括以下质量份比的材料：胶凝材料：950~1000份，集 料：1057~1107份，水：171~180份，钢纤维：78份，减水剂：14. 25~15份，消泡剂：5. 7~ 6份；集料包括：粒径3~5mm的机制砂、粒径1~3mm的机制砂和粒径为0· 21~0· 42mm 的河砂，其中3~5mm的机制砂、粒径1~3mm的机制砂和粒径为0· 21~0· 42mm的河砂的 质量比为: 0.6 : 0.4;凝胶材料包括以下质量分数的材料：硅酸盐水泥50%~60%、 快硬水泥15%~25%和磨细水泥15%~25% ;磨细水泥的粒径为：5~20 μπι。此类混凝 土虽然一方面具备了较好的自养护性能，混凝土经过自然养护后可以得到较好的韧性和强 度，另一方面也具备了较好的流动性，适合泵送与提升，但是，其不具有较佳的快凝性能，在 3D打印过程中，难以形成预想的高强度混凝土结构；粘结度不高，这样会导致打印的建筑 物成品分层现象明显，无法一体成型，不利于建筑物本身结构的稳定。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种固化速度快、自养护性能 好、易于泵送和提升、粘结性能优良的高性能混凝土，适用于在建筑工程中3D打印建筑，通 过打印成型的混凝土结构一体成型，并具备良好的结构强度。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现： 一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成： 平均粒径20~60 μπι的不低于42. 5等级普通硅酸盐水泥500~900份； 平均粒径0. 1~60 μπι，活性指数7天大于120%活性矿物掺和料250~350份； 粒径小于2. 50mm以下惰性填充料800~1300份； 减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂10~20份； 增稠剂2~5份； 自养护剂4~10份； 快速凝结时间调节剂2~10份； 水 145~230 份； 长度6~12mm的有机纤维3份； 长度6~15_，直径0. 08~0. 25 mm镀铜纤维40~200份。
[0007] 在该种高性能粉末混凝土中，添加上述组分的快速凝结时间调节剂，混凝土凝结 时间可以调节。打印时表面触变结皮凝固时间一般可以控制在2~10分钟，初凝一般可以控 制在40分钟以内，终凝时间控制在60分钟以内，有利于利用纸层叠的方法打印出混凝土结 构，经过3D打印的混凝土结构可快速成型，无明显地分层现象，达到一体化结构，使混凝土 结构获得更高的强度；添加上述组分的减水剂等原料，并使用平均粒径〇. 1~60 μ m，活性指 数7天大于120%活性矿物掺和料，能一定程度提高该高性能粉末混凝土的流动性和凝结成 型后结构的致密性，适合在3D打印过程中，混凝土能从打印机喷嘴中顺滑、连续喷出；通过 添加上述组分的自养护剂，喷出成型的混凝土在自然养护的状态下快速转化为稳定结晶， 混凝土内部结构更加致密，使其获得更优的结构强度。
[0008] 其中，所述快速凝结时间调节剂为无碱速凝剂，所述无碱速凝剂由以下重量组分 的原料混合而成：硅酸钠3~5份，铝酸钠6~8份，硫酸铝15~25份，羟基羧酸3~8份。使用 无碱速凝剂一方面可以调节高性能粉末混凝土的固化速度，以适应3D打印中混凝土结构 快速成型的需要，另一方面，相比于常用的碱性或者低碱速凝剂，添加无碱速凝剂的3D打 印高性能粉末混凝土结构不出现泛白现象，降低了碱类物质析出，降低了 了化学腐蚀性，提 高混凝土结构整体牢固、美观。
[0009] 进一步地，所述活性矿物掺和料由重量组分为80~140份硅粉、65~125份陶瓷抛光 砖粉、55~125份一级粉煤灰或50~90份S95矿粉中的一种或多种混合而成。其活性成分可 大幅吨提高打印构件强度及结构致密度，提高耐久性及构筑物使用寿命。
[0010] 进一步地，所述自养护剂为由重量组分为30~50份沸石粉和2~4份吸水树脂中的 一种或两种制成，其作用主要减少后续建筑建构的干缩裂纹，确保强度在失水养护条件下 可正常发展，对构筑物结构强度的后期发展提供有力保障。所述增稠剂为纤维素醚类增稠 剂。
[0011] 优选地，所述用于3D打印技术高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成： 平均粒径20~60 μπι的不低于42. 5等级普通硅酸盐水泥700~800份； 平均粒径0. 1~60 μπι，活性指数7天大于120%活性矿物掺和料270~320份； 粒径小于2. 5mm以下惰性填充料900~1100份； 减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂15~20份； 增稠剂3~5份； 自养护剂6~9份； 快速凝结时间调节剂5~8份； 水 180~210 份； 长度6~12mm的有机纤维3份； 长度6~15_，直径0· 08~0· 25 mm镀铜纤维100~180份。
[0012] 优选地，所述用于3D打印技术高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成： 平均粒径20~60 μ m的不低于42. 5等级普通硅酸盐水泥750份； 平均粒径0. 1~60 μ m，活性指数7天大于120%活性矿物掺和料300份； 粒径小于2. 5mm以下惰性填充料1000份； 减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂18份； 增稠剂4份； 自养护剂8份； 快速凝结时间调节剂7份； 水200份； 长度6~12mm的有机纤维3份； 长度6~15_，直径0. 08~0. 25 mm镀铜纤维150份。
[0013] 其中3D打印高性能粉末混凝土通过以下方法制备而成： 51、 将配方限定的镀铜钢纤维、有机纤维、硅酸盐水泥及活性掺和料加入搅拌机搅拌至 分散均勾； 52、 再向搅拌机中加入配方限定的惰性掺和料、复合减水粉剂、增稠剂、自养护剂、快速 凝结时间调节剂继续搅拌至均匀； 53、 将步骤S2搅拌好的备用材料进行打包得到粉料； 54、 将步骤S3得到的粉料依照3D建筑结构打印方量在打印前进行放入搅拌机并加入 相对应限定配方比例水，快速搅拌1~2分钟，即可成为建筑结构3D打印油墨，正式打印。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下： (1)本发明技术方案涉及的3D打印用高性能粉末混凝土，扩展度直径不小于500mm， 易于泵送与提升、凝结时间可调节，打印时表面触变结皮凝固时间一般可以控制在3~10分 钟，初凝一般可以控制在40分钟以内，终凝时间控制在60分钟以内，打印过程总材料界面 结合一体化好，无分层现象，可连续施工进行高层建筑或特殊等不同构件打印生产。
[0015] (2)利用该种高性能混凝土打印成型的混凝土结构强度优良，耐久性好，抗震、抗 冲击性能好，其2小时结构强度不低于20兆帕，1天强度不低于50兆帕，3天强度不低于70 兆帕，抗折强度不低于10兆帕，弹模不低于35GP 28天强度不低于110兆帕，抗折强度不低 于14兆帕，弹模不低于42GP，打印材料采用加工为粉体形式包装，现场施工直接加水搅拌 2~3分钟后即可泵送，施工时间短，快速，适合现场施工打印或者快速制作混凝土预制件。
[0016] (3)该高性能混凝土材料综合成本造价低，材料来源广泛、大掺量工业废料，由于 强度高，耐久性好，因此可大幅减轻结构设计重量，节约建筑材料及能源消耗，可为快速实 现工业生产建筑智能化做支撑。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做 任何形式的限定。
[0018] 实施例1 一种用于3D打印的高性能粉末混凝土由以下重量组分的原料制成： 平均粒径20~60 μ m的不低于42. 5等级普通硅酸盐水泥500份； 平均粒径0. 1~60 μ m，活性指数7天大于120%活性矿物掺和料250份； 粒径小于2. 5mm以下惰性填充料800份； 减水率大于30%的复合型高效减水剂粉剂10份； 增稠剂2份； 自养护剂4份； 无碱快速凝结时间调节剂2份； 水145份； 长度6~12mm的有机纤维3份； 长度6~15_，直径0.