一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料及其制备方法，所述3D打印混凝土材料，按照重量百分数计，包括以下各组分：粗骨料14.6％～29.5％、细骨料28.3％～41.7％、水泥11.9％～28.9％、粉煤灰或矿渣粉0～11.7％、硅灰5.3％～11.9％、微米级纤维0～0.65％、毫米级纤维0～2.10％、减水剂0.30％～0.53％、速凝剂0～1.86％、水7.7％～11.9％；所述水泥、粉煤灰或矿渣粉、硅灰共同组成混凝土的胶凝组分，胶凝组分按照混凝土重量百分数计，占26.6％～38.9％；所述微米级纤维和毫米级纤维按照混凝土重量百分数计，毫米级纤维重量与3倍的微米级纤维重量的和占混凝土重量的0.51％～2.10％。本发明制备的添加粗骨料的3D打印混凝土材料，通过优选粗骨料以及各原材料种类、性能参数和掺量，不仅能够满足3D打印的要求，而且降低了产品的表面粗糙度。

说明书

技术领域

本发明属于建筑3D打印技术领域，具体涉及一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料及其制备方法。

背景技术

建筑3D打印技术正在发展起来，目前用于建筑3D打印的水泥基材料主要是砂浆，对于含粗骨料的3D打印混凝土材料，由于打印设备尺寸以及打印产品表面粗糙度的限制，使得含粗骨料3D打印混凝土材料的研究很少。

混凝土由骨料、水泥石、骨料和水泥石之间的过渡区、孔隙和水组成，骨料在混凝土当中起到类似骨架的支撑作用，水泥石将骨料连为一体。仅考虑骨料被浆体完全包裹的情况下，提高骨料粒径，能够减小骨料的相对表面积，减少用于包裹骨料的浆体用量，提高每方混凝土中骨料的相对体积，可以提高强度、降低成本；在每方混凝土中各组分含量一定的情况下，提高骨料粒径，减少了用于包裹骨料的浆体用量，增加了富余浆体的量，从而可以改善混凝土拌合物的工作性。所以粗骨料的加入，可以相对提高混凝土材料的力学性能、降低成本，提高建筑3D打印实用性。

建筑3D打印技术对于使用材料的要求不同于传统建筑技术，受到打印设备打印尺寸以及打印产品表面粗糙度的限制，对于骨料粒径的要求很苛刻，粗骨料的加入至少会造成以下三点负面影响：①增大混凝土输送、挤出和堆积难度：粗骨料的加入提高了混凝土的容重，就需要相应降低混凝土坍落度来提高其可堆积性，这会降低混凝土的输送性，此外，粗骨料加入的越多，砂率越小，也越难以输送；②对设备的要求更加严格：主要体现在对输送管道和打印喷头的要求；③打印成品表面粗糙度增大：由于没有模板，打印成品表面容易突出粗骨料，造成表面的不平整，且易产生裂缝，从而使得成品表面粗糙度增大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料，本发明能够在兼顾打印产品表面平整度的情况下，将3D打印混凝土的砂率降低至50％。此外，本发明还要提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料，按照重量份计，包括以下各组分：粗骨料14.6％～29.5％、细骨料28.3％～41.7％、水泥11.9％～28.9％、粉煤灰或矿渣粉0～11.7％、硅灰5.3％～11.9％、微米级纤维0～0.65％、毫米级纤维0～2.10％、减水剂0.30％～0.53％、速凝剂0～1.86％、水7.7％～11.9％；所述水泥、粉煤灰或矿渣粉、硅灰共同组成混凝土的胶凝组分，胶凝组分按照混凝土重量百分数计，占混凝土材料重量的26.6％～38.9％；所述微米级纤维和毫米级纤维按照混凝土重量百分数计，毫米级纤维重量与3倍的微米级纤维重量之和占混凝土重量的0.51％～2.10％；所述粗骨料为粒径5mm～10mm的碎石，针、片状颗粒含量不高于1.5％。

作为优选的技术方案，所述细骨料为细度模数2.2～3.2的天然砂或人工砂，天然砂中含泥量不高于3％，人工砂当MB值＜1.4时，石粉含量不高于7％，当MB值≥1.4时，石粉含量不高于3％。

作为优选的技术方案，所述水泥的强度等级不低于42.5。

作为优选的技术方案，所述微米级纤维选用长度为9mm～20mm，直径为15μm～25μm的合成纤维，毫米级纤维选用长度为12mm～25mm，直径为0.1mm～0.2mm的合成纤维。

作为优选的技术方案，所述硅灰的比表面积不低于15000m

作为优选的技术方案，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，所述矿渣粉不低于S95级，粉煤灰和矿渣粉可单掺或复掺。

作为优选的技术方案，所述减水剂为聚羧酸系减水剂或萘系减水剂，减水率16％～30％。

作为优选的技术方案，所述3D打印混凝土材料的拌合物坍落度40mm～120mm，适用于打印喷头尺寸不小于40mm的建筑3D打印机。

本发明的第二方面，提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料的制备方法，用于制备上述的3D打印混凝土材料，包括以下步骤：

S1、按比重称量粗骨料、细骨料、水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、微米级纤维、毫米级纤维、减水剂、速凝剂、水，备用；

S2、将称量好的粗骨料、细骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉加入搅拌机搅拌至混合均匀；

S3、将称量好的水、减水剂、速凝剂混合均匀；

S4、将步骤S3的混合物加入步骤S2的混合物中，搅拌机搅拌至混合均匀；

S5、搅拌机搅拌的过程中，将称量好的微米级纤维和毫米级纤维均匀撒入步骤S4中拌合好的浆体，搅拌机搅拌至纤维在混凝土中分散均匀，即为拌合好的添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料。

在试验过程中发现，粗骨料粒径太大会影响打印成品表面质量，本发明优选粒径为5mm-10mm。同时，因为3D打印不能振动，卵石表面比较光滑，卵石与浆体之间的粘结会较差，所以本专利选择表面较粗糙的碎石来提高粗骨料与浆体之间的粘结力。

本发明选用合成纤维作为3D打印混凝土材料的增强阻裂成分，这是因为在试验过程中发现，传统的玻璃纤维和玄武岩纤维打印制品表面会有“细毛刺”，会刺入人体皮肤，对人体健康造成危害。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的3D打印水泥基材料中含有粗骨料，是真正的3D打印混凝土材料，可以降低材料成本，相对提高打印强度。

(2)本发明选用的粗骨料为性能达到特定要求的碎石而非卵石，在兼顾材料打印性能的同时，又避免了因不能振捣而导致的浆体与粗骨料间粘合强度的下降。

(3)本发明制备的添加粗骨料的3D打印混凝土材料，通过优选粗骨料性能参数和配合比优化降低了粗骨料的加入对打印成品表面质量的影响，并且给出了本配合比可打印时的坍落度范围，为现场打印时，判断混凝土是否可以打印提供了参考依据，具有很强的实用性。

(4)本发明通过优选粗骨料形状、尺寸和掺量，来平衡产品表面粗糙度和砂率，通过优选纤维种类、尺寸、掺量来减少成品表面裂缝，通过大量创新性试验，突破普通混凝土性能的要求，优选出本配合比体系下的混凝土可3D打印时的坍落度区间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料及其制备方法，按照重量百分数计，包括以下各组分：粗骨料14.6％～29.5％、细骨料28.3％～41.7％、水泥11.9％～28.9％、粉煤灰或矿渣粉0～11.7％、硅灰5.3％～11.9％、微米级纤维0～0.65％、毫米级纤维0～2.10％、减水剂0.30％～0.53％、速凝剂0～1.86％、水7.7％～11.9％；所述水泥、粉煤灰或矿渣粉、硅灰共同组成混凝土的胶凝组分，胶凝组分按照混凝土重量百分数计，占26.6％～38.9％；所述微米级纤维和毫米级纤维按照混凝土重量百分数计，毫米级纤维重量与3倍的微米级纤维重量的和占混凝土重量的0.51％～2.10％。

其中，所述粗骨料为粒径5mm～10mm的碎石，针、片状颗粒含量不得高于1.5％。

其中，所述细骨料为细度模数2.2～3.2的天然砂或人工砂，天然砂中含泥量不高于3％，人工砂石粉含量不高于3％(MB≥1.4)或不高于7％(MB＜1.4)。

其中，所述水泥的强度等级不低于42.5。

其中，所述微米级纤维选用长度为9mm～20mm，直径为15μm～25μm的合成纤维，毫米级纤维选用长度为12mm～25mm，直径为0.1mm～0.2mm的合成纤维。

其中，所述硅灰的比表面积不低于15000m

其中，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，所述矿渣粉技术要求不低于S95级，粉煤灰和矿渣粉可单掺或复掺。

其中，所述3D打印混凝土材料的拌合物坍落度40mm～120mm，适用于打印喷头尺寸不小于40mm的建筑3D打印机。

其中，所述减水剂为聚羧酸系减水剂或萘系减水剂，减水率16％～30％。

其制备方法如下：

S1、按比重称量粗骨料、细骨料、水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、微米级纤维、毫米级纤维、减水剂、速凝剂、水，备用；

S2、将称量好的粗骨料、细骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣粉加入搅拌机搅拌至混合均匀；

S3、将称量好的水、减水剂、速凝剂混合均匀；

S4、将步骤S3的混合物加入步骤S2的混合物中，搅拌机搅拌至混合均匀；

S5、搅拌机搅拌的过程中，将称量好的微米级纤维和毫米级纤维均匀撒入步骤S4中拌合好的浆体，搅拌机搅拌至纤维在混凝土中分散均匀，即为拌合好的添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料。

实施例1

本实施例提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料的配合比，粗骨料选择针片状颗粒含量为1％的5mm～10mm碎石；细骨料选择细度模数为2.3的天然河砂，含泥量3％；胶凝组分选用等级为42.5的普通硅酸盐水泥，纤维选用直径16μm、长12mm的聚乙烯醇纤维，减水剂选用减水率为20％的聚羧酸高效减水剂，按重量百分比计，各组分比例如下：

混凝土拌合物搅拌均匀后对其坍落度进行测试，测得其坍落度为60mm，符合基本要求，进行打印工作。

实施例2

本实施例提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料的配合比，粗骨料选择针片状颗粒含量为0.8％的5mm～10mm碎石；细骨料选择细度模数为2.6的天然河砂，含泥量2％；胶凝组分选用等级为42.5R的普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰，纤维选用直径20μm、长16mm的聚酯纤维，减水剂选用减水率为25％的聚羧酸高效减水剂，按重量百分比计，各组分比例如下：

混凝土拌合物搅拌均匀后对其坍落度进行测试，测得其坍落度为110mm，符合基本要求，进行打印工作。

实施例3

本实施例提供一种添加碎石粗骨料的3D打印混凝土材料的配合比，粗骨料选择针片状颗粒含量为0.6％的5mm～10mm碎石；细骨料选择细度模数为2.4的天然河砂，含泥量1.5％；胶凝组分选用等级为52.5的硅酸盐水泥和S95级矿渣粉，纤维选用直径0.2mm、长16mm的聚丙烯纤维，减水剂选用减水率为26％的聚羧酸高效减水剂，按重量百分比计，各组分比例如下：

混凝土拌合物搅拌均匀后对其坍落度进行测试，测得其坍落度为90mm，符合基本要求，进行打印工作。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。