一种3D打印机制砂混凝土材料及其制备方法和应用

本发明涉及混凝土制备，具体为一种用于3d打印的机制砂混凝土。

背景技术：

1、建筑3d打印技术是基于数字三维模型，采用逐层叠加材料的方式，直接制造与数字模型完全一致的物理实体的智能制造方法。该技术具有操作简单化、施工自动化、用料精细化等特点，能极大缩短建造工期，提高施工效率。采用机制砂混凝土作为“油墨材料”的建筑3d打印技术，不仅能降低该技术的建造成本，而且能解决当下天然砂紧缺的状况。但是，机制砂棱角多，球形度差，针片状颗粒较多，较高掺量下会对3d打印混凝土的流动性、挤出性、开放时间和建造性产生较大影响。因此，建筑3d打印技术若采用机制砂来有效降低打印成本，则需要对机制砂特性及其混凝土的可打印性能进行专门研究和调控。

2、本发明通过机制砂级配调控、优化混凝土材料组成等方式，提高了机制砂在3d打印混凝土中的掺量；并配合使用球状(超细矿物微珠)和片状(硅铝质黏土)的矿物掺合料，改善了机制砂特性对3d打印混凝土性能的不利影响，显著提高了机制砂混凝土材料的可打印性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于3d打印的机制砂混凝土材料及其制备方法，解决大量掺入机制砂时导致3d打印混凝土流动性不适宜、开放时间短和建造性低的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

3、一种用于3d打印的机制砂混凝土材料，由如下重量百分比的组分：7％～45％的水泥、20％～50％的机制砂、0.5％～35％的碎石、0.1％～2.0％的减水剂、0.05‰～0.4‰增稠剂、0.1％～2.0％的早强剂、0.5％～15％的矿粉、0.5％～20％的超细矿物微珠、3％～40％的硅铝质黏土及6％～20％的水。

4、其中，所述混凝土材料的水胶比为0.3～0.35。

5、其中，所述水泥为p.o42.5，水泥比表面积为300～500m2/kg，80μm筛筛余量(质量百分含量)为0.8％～1.5％。

6、其中，所述机制砂粒径为0.075～5.0mm，表观密度为2000～2900kg/m3，松散堆积孔隙率为25％～55％，mb值为1.2～2.4，泥块含量为1.0％～1.8％，有机物检测合格。

7、其中，所述碎石骨料由岩石机械破碎而来，粒径为5～12mm。

8、其中，所述减水剂的减水率为20％～50％，含气量为1.5％～6.0％，固体含量为30％～35％，ph值为7.0～9.0。

9、其中，所述增稠剂的粘度为90000～120000mpa·s，干燥失重率为≤6.0％，ph值为5.0～9.0，凝胶温度为50.0～55.0℃。

10、其中，所述早强剂的含水率为≤5.0％，1.18mm筛筛余量(质量百分含量)为≤1.0％。

11、其中，所述矿粉密度为2.5～3.5g/cm3，比表面积为500～650m2/kg，流动度比为95％～110％，含水量为0.3％～0.9％。

12、其中，所述超细矿物微珠细度为d50≤3μm，含水量为0.1％～1.0％，0.045mm筛筛余量(质量百分含量)为5％～10％，需水量比为80％～98％。

13、其中，所述硅铝质黏土粒度为0.1～100μm，比表面积为18～22m2/g，粘度为0.4～0.5pa·s，有机质含量小于2％。

14、本发明还提供了用于3d打印的机制砂混凝土材料制备方法，包括如下步骤：

15、制备湿料混合物，包括：将0.1％～2.0％的减水剂与6％～20％的水均匀混合得到湿料混合物。

16、制备干料混合物，包括：将7％～45％的水泥、20％～50％的机制砂、0.5％～35％的碎石、0.5％～15％的矿粉、0.5％～20％的超细矿物微珠、3％～40％的硅铝质黏土均匀混合，得到干料混合物。

17、制备3d打印用混凝土，包括：将所述湿料混合物分两次加入到干料混合物中进行搅拌，搅拌过程中加入0.05‰～0.4‰增稠剂和0.1％～2.0％的早强剂，继续搅拌均匀制得3d打印用混凝土。整个搅拌时间≤4min。

18、本发明还提供了一种3d打印机制砂混凝土成品，包括如下步骤制成：

19、打印试件：包括将上述用于3d打印的机制砂混凝土输入3d打印机料斗内打印得到混凝土试件，打印机喷头直径为20～40mm，打印速度中x、y轴移动速度为2000～5000mm/min，z轴移动速度为500～1000mm/min；所述打印试件由内外2层闭环圆圈堆叠而成。

20、制作成品：包括将所述混凝土试件覆膜后常温养护24h，然后放入标准养护室内养护7～28天得到混凝土成品，标准养护室条件为18～22℃，相对湿度为90～95％。

21、本发明针对机制砂特性，采用球状(超细矿物微珠)和片状(硅铝质黏土)矿物掺合料复合调控方法，一方面通过球形掺合料的“滚珠”效应降低机制砂在打印中移动的阻力，另一方面通过片状掺合料改善浆体搭接-重构的速度与能力，实现3d打印机制砂混凝土的“增触降阻”。由此改善掺入大量机制砂时3d打印混凝土流动性不适宜、开放时间短和建造性低的问题。

22、与现有技术相比，本发明的技术方案所具有的有益效果为：

23、(1)本发明通过球状(超细矿物微珠)和片状(硅铝质黏土)的矿物掺合料复合调控技术，改善了3d打印机制砂混凝土的流动性、开放时间及建造性，并提高了机制砂在3d打印混凝土中的掺量。

24、(2)本发明用于3d打印的机制砂混凝土材料具有良好的建造性能，可连续打印层数超过50层(>550mm)。

技术特征：

1.一种用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：包括下述重量百分比的组分：7%~45%的水泥、20%~50%的机制砂、0.5%~35%的碎石骨料、0.1%~2.0%的减水剂、0.05‰~0.4‰增稠剂、0.1%~2.0%的早强剂、0.5%~15%的矿粉、0.5%~20%的超细矿物微珠、3%~40%的硅铝质黏土及6%~20%的水。

2.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述混凝土材料的水胶比为0.3~0.35。

3.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述水泥为p.o42.5，水泥比表面积为300~500m2/kg，80μm筛筛余量为0.8%~1.5%；所述机制砂粒径为0.075~5.0mm，表观密度为2000~2900kg/m3，松散堆积孔隙率为25%~55%，mb值为1.2~2.4，泥块含量为1.0%~1.8%，有机物检测合格。

4.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述碎石骨料由岩石机械破碎制得，粒径为5~12mm；所述减水剂的减水率为20%~50%，含气量为1.5%~6.0%，固体含量为30%~35%，ph值为7.0~9.0；所述增稠剂的粘度为90000~120000mpa·s，干燥失重率为≤6.0%，ph值为5.0~9.0，凝胶温度为50.0~55.0℃；所述早强剂的含水率为≤5.0%，1.18mm筛筛余量为≤1.0%。

5.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述矿粉密度为2.5~3.5g/cm3，比表面积为500~650m2/kg，流动度比为95%~110%，含水量为0.3%~0.9%。

6.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述超细矿物微珠细度为d50≤3μm，含水量为0.1%~1.0%，0.045mm筛筛余量为5%~10%，需水量比为80%~98%。

7.根据权利要求1所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料，其特征在于：所述硅铝质黏土粒度为0.1~100μm，比表面积为18~22m2/g，粘度为0.4~0.5pa·s，有机质含量小于2%。

8.根据权利要求1-7任一所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

9.根据权利要求1-8任一所述的用于3d打印的机制砂混凝土材料在打印混凝土试件中的应用，其特征在于包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：将所述混凝土试件覆膜后常温养护24h，然后放入标准养护室内养护7~28天得到混凝土成品，标准养护室条件为18~22℃，相对湿度为90~95%。

技术总结
本发明公开了一种3D打印机制砂混凝土材料及其制备方法和应用，该3D打印机制砂混凝土材料包括：a水泥；b机制骨料；c外加剂；d矿粉；e超细矿物微珠；f硅铝质黏土；g水。本发明通过材料组成优化，增大了机制砂在3D打印混凝土中的掺量；并使用球形和片状的矿物掺合料，解决了3D打印机制砂混凝土流动性不适宜、开放时间短及建造性低等问题。本发明通过机制砂级配调控、优化混凝土材料组成等方式，提高了机制砂在3D打印混凝土中的掺量；并配合使用球状（超细矿物微珠）和片状（硅铝质黏土）的矿物掺合料，改善了机制砂特性对3D打印混凝土性能的不利影响，显著提高了机制砂混凝土材料的可打印性能。

技术研发人员：张宇,朱文轩,张云升,陈文龙
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13