一种水泥复合材料用点阵结构、水泥复合材料及其制备方法

1.本技术涉及建筑材料领域，尤其涉及一种水泥复合材料用点阵结构、水泥复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前一般工程实践中对于水泥材料的天然脆性问题，一般多采用高韧性材料用于水泥基材料的增韧。工程中多采用以下两种增韧方式：
3.(1)通过配置连续型高韧性材料。如在水泥当中配置钢筋、frp筋等方式，制备相应的水泥复合材料(如钢筋混凝土材料)等，以实现水泥材料的增韧效果。
4.(2)通过外掺离散型纤维。如在水泥基材中掺加钢纤维、聚丙烯(pp)纤维、聚乙烯(pe)纤维，制备相应的纤维增强水泥复合材料，以改善水泥材料的韧性。
5.尽管上述水泥基材料取得了较好的水泥基增韧效果，但仍存在以下缺点：
6.(1)定制化程度低。目前现有的连续型高韧性材料多由工业化大规模生产，为标准化生产产品，其几何尺寸等均十分有限，而针对异形结构的增韧材料开发较少，成本较高，无法很好的适应多样化的使用需要。
7.(2)离散型纤维材料的施工困难。离散型纤维在水泥基材料中的分散会大大影响其增韧效果，实际施工中纤维材料的分散难以把控。其次，过量的离散型纤维更会影响水泥基材料的使用性质，如流动性、可泵性、流变和凝结时间等，这不利于水泥材料的实际应用。


技术实现要素：

8.本技术的目的在于提供一种水泥复合材料，旨在解决现有水泥基材料虽然具有较好的水泥基增韧效果，但是定制化程度低、施工困难、分散性差的问题。
9.为实现以上目的，本技术提供一种水泥复合材料用点阵结构，包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述水泥复合材料用点阵结构由petg纤维通过3d打印得到；
10.优选地，所述点阵单胞为体心立方桁架结构。
11.优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为1.5～5.0mm。
12.优选地，所述多个周期性重复排列的点阵单胞的骨架的直径相同。
13.优选地，所述水泥复合材料用点阵结构的受拉区的点阵单胞的尺寸长度小于所述水泥复合材料用点阵结构的受压区的点阵单胞的尺寸长度。
14.优选地，所述受拉区的点阵单胞的尺寸长度为5mm
×
5mm
×
5mm；所述受压区的点阵单胞的尺寸长度为10mm
×
10mm
×
10mm。
15.优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为2.5-3.5mm。
16.优选地，所述多个周期性重复排列的点阵单胞的骨架的直径朝向同一个方向逐渐减小；
17.优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为1.5～2.5mm。
18.本技术还提供一种水泥复合材料，包括水泥基材料和嵌入所述水泥基材料中的上
述的一种水泥复合材料用点阵结构。
19.优选地，所述水泥复合材料用点阵结构的体积与所述水泥复合材料的体积的百分比为10％～50％。
20.本技术还提供上述的水泥复合材料的制备方法，包括：
21.将上述的水泥复合材料用点阵结构与水泥浆体于水泥模具中复合得到所述水泥复合材料。
22.与现有技术相比，本技术的有益效果包括：
23.本技术提供的水泥复合材料在水泥基材料中嵌入petg纤维制备得到的点阵结构，可以增强水泥基材料的耐化学腐蚀、韧性和抗冲击能力，制备出高韧性的点阵结构水泥复合材料，相较于无点阵结构的水泥材料，本方案的水泥复合材料的韧性增加了2-3倍。由于所使用的petg纤维具有高韧性，在水泥构件中起到了很好的抗拉作用，大大促进了其韧性增强，减缓了裂缝的开展。
24.本技术方案的点阵结构定制化程度高，借助3d打印技术，设计并制造多点阵结构，实现了点阵结构设计上的灵活性，针对特殊形状的水泥构件，可设计不同形状的点阵结构与之匹配。相较于传统连续性增韧材料(如钢筋等)，不需要截断、焊接等工艺，省时省力。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对本技术范围的限定。
26.图1为实施例1的水泥复合材料用点阵结构的立体示意图；
27.图2为实施例1的水泥复合材料用点阵结构的正视图；
28.图3为实施例1的水泥复合材料用点阵结构的侧视图；
29.图4为实施例1的水泥复合材料的立体示意图；
30.图5为实施例1的水泥复合材料的力-位移曲线图；
31.图6为实施例1的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布结果图；
32.图7为实施例2的水泥复合材料用点阵结构的立体示意图；
33.图8为实施例2的水泥复合材料用点阵结构的正视图；
34.图9为实施例2的水泥复合材料用点阵结构的侧视图；
35.图10为实施例2的水泥复合材料的立体示意图；
36.图11为实施例2的水泥复合材料的力-位移曲线图；
37.图12为实施例2的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布结果图；
38.图13为实施例3的水泥复合材料用点阵结构的立体示意图；
39.图14为实施例3的水泥复合材料用点阵结构的正视图；
40.图15为实施例3的水泥复合材料用点阵结构的侧视图；
41.图16为实施例3的水泥复合材料的立体示意图；
42.图17为实施例3的水泥复合材料的力-位移曲线图；
43.图18为实施例3的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布结果图；
44.图19为实施例4的水泥复合材料用点阵结构的立体示意图；
45.图20为实施例4的水泥复合材料用点阵结构的正视图；
46.图21为实施例4的水泥复合材料用点阵结构的侧视图；
47.图22为实施例4的水泥复合材料的立体示意图；
48.图23为实施例4的水泥复合材料的力-位移曲线图；
49.图24为实施例4的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布结果图；
50.图25为对比例1的水泥复合材料的力-位移曲线图；
51.图26为对比例1的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布结果图；
52.图27为本技术方案的点阵结构的点阵单胞体心立方桁架结构示意图。
具体实施方式
53.如本文所用之术语：
[0054]“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0055]
连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
……
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
[0056]
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0057]
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
[0058]“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说a组分的质量份为a份，b组分的质量份为b份，则表示a组分的质量和b组分的质量之比a：b。或者，表示a组分的质量为ak，b组分的质量为bk(k为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
[0059]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，a和/或b包括(a和b)和(a或b)。
[0060]
本技术提供一种水泥复合材料用点阵结构，包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述水泥复合材料用点阵结构由petg纤维通过3d打印得到。
[0061]
点阵结构是一种周期性多孔结构，可以认为是大量相同的点阵单胞通过某种形式周期性地排列组合而构成。点阵结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学
性能的完美平衡。通过在水泥材料中加入点阵结构可以大大增强水泥材料的力学性能。
[0062]
水泥复合材料用点阵结构由petg纤维通过3d打印得到，从而可以打印得到任意形状的点阵结构，使得该水泥复合材料用点阵结构的定制化程度高，从而可以得到各种形状的水泥构件。
[0063]
其中，petg是pet的共聚物，也叫非结晶化聚对苯二甲酸二醇酯，是一种热收缩聚酯薄膜，pet为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)，petg纤维更加耐碱，抵抗水泥的碱性腐蚀的能力更强。
[0064]
受3d打印工艺约束，点阵单胞构型最好不要出现横向杆件。所以适合3d打印的点阵单胞构型主要有体心立方(bcc)和面心立方(fcc)结构，以及两者的变形结构。
[0065]
优选地，所述点阵单胞为体心立方桁架结构。
[0066]
体心立方结构是弯曲主导结构，其特点是能量吸收能力强，适用于设计抗冲击结构。最主要的优点是在很宽的温度范围和很大的应变状态下都表现出很高的强度。
[0067]
如图27所示为本技术方案的点阵结构的点阵单胞体心立方桁架结构的示意图，该体心立方桁架结构由四个骨架b相交于一个中心点构成，使得该体心立方桁架结构的外形上四个骨架b的八个顶点分别位于一个正方体形状的八个顶点，四个骨架b的相交点位于正方体的中心。该点阵单胞体心立方桁架结构的尺寸是指该正方体的边长a
×a×
a。
[0068]
优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为1.5～5.0mm，例如可以为1.5～2.5mm，或2.5～3.5mm，或2.5～4.0，或3.0～5.0mm，更具体的例如可以为1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm或5.0mm。点阵单胞的骨架的直径可以是完全相同的，也可以是渐变的。
[0069]
在一优选实施例中，所述多个周期性重复排列的点阵单胞的骨架的直径相同。
[0070]
优选地，所述水泥复合材料用点阵结构的受拉区的点阵单胞的尺寸长度小于所述水泥复合材料用点阵结构的受压区的点阵单胞的尺寸长度。
[0071]
其中，水泥复合材料用点阵结构的受拉区和受压区的定义为：水泥复合材料用点阵结构在进行三点弯曲时，发生伸长的一面为受拉区，发生压缩的一面为受压区。
[0072]
优选地，所述受拉区的点阵单胞的尺寸长度为5mm
×
5mm
×
5mm；所述受压区的点阵单胞的尺寸长度为10mm
×
10mm
×
10mm。
[0073]
优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为2.5～3.5mm。
[0074]
优选地，所述多个周期性重复排列的点阵单胞的骨架的直径朝向同一个方向逐渐减小。其中，该水泥复合材料用点阵结构的受压区直径小，受拉区直径大。
[0075]
优选地，所述点阵单胞的骨架的直径为1.5～2.5mm。
[0076]
本技术提供的水泥复合材料在水泥基材料中嵌入petg纤维制备得到的点阵结构，可以增强水泥基材料的韧性，制备出高韧性的点阵结构水泥复合材料，相较于无点阵结构的水泥材料，本方案的水泥复合材料的韧性增加了2-3倍。由于所使用的petg纤维具有高韧性，在水泥构件中起到了很好的抗拉作用，大大促进了其韧性增强，减缓了裂缝的开展。
[0077]
本技术方案的点阵结构定制化程度高，借助3d打印技术，设计并制造多点阵结构，实现了点阵结构设计上的灵活性，针对特殊形状的水泥构件，可设计不同形状的点阵结构与之匹配。相较于传统连续性增韧材料(如钢筋等)，不需要截断、焊接等工艺，省时省力。
[0078]
本技术还提供一种水泥复合材料，包括水泥基材料和嵌入所述水泥基材料中的上述的水泥复合材料用点阵结构。
[0079]
优选地，所述水泥复合材料用点阵结构的体积与所述水泥复合材料的体积的百分比为10％～50％，例如可以为10％～30％，或20％～30％，或20％～40％，更具体的例如可以为10％、20％、30％、40％或50％。
[0080]
本技术还提供上述的水泥复合材料的制备方法，包括：
[0081]
将上述的水泥复合材料用点阵结构与水泥浆体于水泥模具中复合得到所述水泥复合材料。
[0082]
下面将结合具体实施例对本技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本技术，而不应视为限制本技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0083]
实施例1
[0084]
水泥基材：普通硅酸盐水泥。
[0085]
增韧材料：petg纤维，直径为1.75mm，拉伸强度49mpa，熔点为230℃。
[0086]
打印机：热固熔融型(fdm)3d打印机。
[0087]
实施例1的水泥复合材料用点阵结构如图1至3所示，其点阵单胞的形状为体心立方桁架结构，点阵单胞的各个边的直径为相同的1.5mm，实施例1的水泥复合材料的制备工艺如下：
[0088]
利用热固熔融型(fdm)3d打印机打印出实施例1的水泥复合材料用点阵结构；
[0089]
将打印好的点阵结构放置于40*40*160mm的六面体水泥模具中；
[0090]
配置水泥浆体，缓慢注入模具，在振动台上振动至密实；
[0091]
24小时后脱模，后置于实验室条件下养护28天，得到实施例1的水泥复合材料，如图4所示。
[0092]
对实施例1的水泥复合材料进行三点弯曲实验，记录力-位移曲线，如图5所示。
[0093]
高速摄像机和数字图像相关(dic)仪器下记录实施例1的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布，如图6所示。
[0094]
实施例2
[0095]
与实施例1不同的是，实施例2的水泥复合材料用点阵结构如图7至9所示，其点阵单胞的边的直径为相同的2.5mm。
[0096]
得到的实施例2的水泥复合材料如图10所示。
[0097]
对实施例2的水泥复合材料进行三点弯曲实验，记录力-位移曲线，如图11所示。
[0098]
高速摄像机和数字图像相关(dic)仪器下记录实施例2的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布，如图12所示。
[0099]
实施例3
[0100]
与实施例1不同的是，实施例3的水泥复合材料用点阵结构如图13至15所示，其点阵单胞的边的直径从2.5mm朝相同方向逐渐减小到1.5mm。
[0101]
得到的实施例3的水泥复合材料如图16所示。
[0102]
对实施例3的水泥复合材料进行三点弯曲实验，记录力-位移曲线，如图17所示。
[0103]
高速摄像机和数字图像相关(dic)仪器下记录实施例3的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布，如图18所示。
[0104]
实施例4
[0105]
与实施例1不同的是，实施例4的水泥复合材料用点阵结构如图19至21所示，其点阵单胞的边的直径为2.5mm，在受拉区加密点阵。
[0106]
得到的实施例4的水泥复合材料如图22所示。
[0107]
对实施例4的水泥复合材料进行三点弯曲实验，记录力-位移曲线，如图23所示。
[0108]
高速摄像机和数字图像相关(dic)仪器下记录实施例4的水泥复合材料的裂缝破坏模式和应变分布，如图24所示。
[0109]
对比例1
[0110]
与实施例1不同的是，对比例1的水泥材料没有嵌入点阵结构。
[0111]
对比例1的水泥材料进行三点弯曲实验，记录力-位移曲线，如图25所示。
[0112]
高速摄像机和数字图像相关(dic)仪器下记录对比例1的水泥材料的裂缝破坏模式和应变分布，如图26所示。
[0113]
各实施例的水泥复合材料用点阵结构的几何特征如表1所示。
[0114]
表1点阵结构几何特征
[0115][0116]
根据各实施例和对比例的力-位移曲线结果可知，点阵增韧水泥复合材料相较于无点阵水泥材料，极限抗拉强度和变形能力均有不同程度的增加，其中，其韧性增强最大约增强3倍，其中，直径为2.5mm的均匀点阵结构的增韧效果最好。
[0117]
根据高速摄像机和数字图像相关仪器下记录的裂缝破坏模式和应变分布结果可知，无点阵结构的水泥构件呈现典型的脆性破坏模式，只有一条主裂缝，并且迅速扩展至破坏。而对于点阵增韧水泥复合材料，其呈现多裂缝破坏模式，说明其为塑性破坏模式，即其韧性也得到了明显提升。其中，直径为2.5mm的均匀点阵结构的效果最好；直径为1.5mm的均匀点阵结构的效果最差。
[0118]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。
[0119]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之
一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。