一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺

摘要

本发明公开了一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺，包括常规3D打印混凝土和高韧性3D打印混凝土，所述常规3D打印混凝土包括以下组份：硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，硅灰，石英砂，细骨料，减水剂，水；所述高韧性3D打印混凝土包括以下组份：硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，硅灰，石英砂，细骨料，PE纤维，钢纤维，减水剂，纤维素，水。本发明采用上述结构的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺，借助高韧性3D混凝土材料优异的力学韧性増韧常规3D打印混凝土，解决了钢筋网架难以同步植入的难题，高韧性3D打印混凝土与常规3D打印材料制备复合材料，可有效避免材料新老界面问题，实现复合材料协同承载。

权利要求

1.一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：包括常规3D打印混凝土和高韧性3D打印混凝土，

所述常规3D打印混凝土按重量份数计，包括以下组份：硅酸盐水泥710～730份，硫铝酸盐水泥70～90份，硅灰180～210份，

石英砂300～1500份，细骨料1000～2000份，减水剂4～10份，

水350～450份；

所述高韧性3D打印混凝土按重量份数计，包括以下组份：硅酸盐水泥680～720份，硫铝酸盐水泥60～80份，硅灰190～210份，

石英砂330～1500份，细骨料350～370份，

PE纤维7～10份，

钢纤维70～80份，

减水剂8～22份，

纤维素1～3份，

水300～400份；

所述钢纤维的长度为9～15mm，直径为0.1～0.3mm，抗拉强度为2754～3154MPa；所述PE纤维长度9～13mm；

一种高韧性化混凝土3D打印复合材料的协调打印工艺，包括以下步骤，(1)常规3D打印混凝土的制备：按相应重量份数将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、细骨料和石英砂混合，得到混合物料；按相应重量份数将减水剂与水混合，得到混合溶液；将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，在一段时间内匀速加入混合溶液搅拌，即得到所述常规3D打印混凝土；

(2)高韧性3D打印混凝土的制备：按相应重量份数将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、细骨料和石英砂混合，得到混合物料；按相应重量份数将减水剂、纤维素与水混合，得到混合溶液；将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，然后在一段时间内匀速加入混合溶液搅拌，最后将PE纤维和钢纤维均匀加入混合料中搅拌，得到所述高韧性3D打印混凝土；

(3)混凝土3D打印复合材料的制备：所述常规3D打印混凝土和所述高韧性3D打印混凝土采用挤出喷头和与所述挤出喷头相连通的螺杆进行3D打印，所述挤出喷头为内外嵌套式，所述螺杆为空心螺杆，所述高韧性3D打印混凝土的挤出喷头从所述常规3D打印混凝土的所述空心螺杆中穿过；

所述常规3D打印混凝土设置于所述高韧性3D打印混凝土的外部，所述常规3D打印混凝土和所述高韧性3D打印混凝土的挤出喷头的挤出速度比与所述内外嵌套式喷头面积比相同。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥的强度等级不低于42.5级。

3.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥和高强硫铝酸盐水泥中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述硅灰的粒径为0.2～35μm；所述石英砂的粒径为0.075～0.15mm，所述石英砂的堆积密度为14303

～1450kg/m。

5.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述细骨3

料的粒径为0.15～0.3mm，细度模数为1.8，堆积密度为1610～1630kg/m。

6.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述减水剂为减水率大于30％、固含量小于40％的聚羧酸系减水剂。

7.根据权利要求1所述的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，其特征在于：所述纤维素的粘度为10～20万。

说明书

一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺。

背景技术

[0002] 混凝土3D打印技术作为一种高效、经济和智能的建造方式已经拓展至承载结构工程领域，但因建造过程难以实现钢筋网架的同步植入、3D打印结构延性不足、结构易开裂和
承载性能低等缺点，难以适应工程应用。高延性混凝土(如工程用水泥基复合材料(ECC)、超
高性能混凝土(UHPC)和应变硬化水泥基复合材料(SHCC)等)是一种具有良好力学高韧性的
水泥基复合材料，目前高延性混凝土虽然具备优异的力学韧性，并且与建筑3D打印技术在
智能建造理念方面高度兼容互补，结构的设计和建造更具灵活化、精细化和可持续化，但是
高延性混凝土造价昂贵，难以适应规模化生产应用。随着混凝土3D打印结构化应用的深度
发展，建造具备较高结构承载性能和经济化的一体化混凝土3D打印结构，将成为助推智能
建造发展的新动力。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺，以解决上述混凝土3D打印技术中使用的高延性混凝土结构承载性能和经济性不高的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种高韧性化混凝土3D打印复合材料，包括常规3D打印混凝土和高韧性3D打印混凝土，

[0005] 所述常规3D打印混凝土按重量份数计，包括以下组份：

[0006] 硅酸盐水泥710～730份，

[0007] 硫铝酸盐水泥70～90份，

[0008] 硅灰180～210份，

[0009] 石英砂300～1500份，

[0010] 细骨料1000～2000份，

[0011] 减水剂4～10份，

[0012] 水350～450份；

[0013] 所述高韧性3D打印混凝土按重量份数计，包括以下组份：

[0014] 硅酸盐水泥680～720份，

[0015] 硫铝酸盐水泥60～80份，

[0016] 硅灰190～210份，

[0017] 石英砂330～1500份，

[0018] 细骨料350～370份，

[0019] PE纤维7～10份，

[0020] 钢纤维70～80份，

[0021] 减水剂8～22份，

[0022] 纤维素1～3份，

[0023] 水300～400份。

[0024] 优选的，所述硅酸盐水泥的强度等级不低于42.5级。

[0025] 优选的，所述硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥和高强硫铝酸盐水泥中的一种或多种。

[0026] 优选的，所述硅灰的粒径为0.2～35μm；所述石英砂的粒径为0.075～0.15mm，所述3
石英砂的堆积密度为1430～1450kg/m。

[0027] 优选的，所述细骨料的粒径为0.15～0.3mm，细度模数为1.8，堆积密度为1610～3
1630kg/m。

[0028] 优选的，所述钢纤维的长度为9～15mm，直径为0.1～0.3mm，抗拉强度为2754～3154MPa；所述PE纤维长度9～13mm。

[0029] 优选的，所述减水剂为减水率大于30％、固含量小于40％的聚羧酸系减水剂。

[0030] 优选的，所述纤维素的粘度为10～20万。

[0031] 一种高韧性化混凝土3D打印复合材料的协调打印工艺，包括以下步骤，

[0032] (1)常规3D打印混凝土的制备：按相应重量份数将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、细骨料和石英砂混合，得到混合物料；按相应重量份数将减水剂与水混合，得到混合溶
液；将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，在一段时间内匀速加入混合溶液搅拌，即得
到所述常规3D打印混凝土；

[0033] (2)高韧性3D打印混凝土的制备：按相应重量份数将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、细骨料和石英砂混合，得到混合物料；按相应重量份数将减水剂、纤维素与水混合，得
到混合溶液；将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌，然后在一段时间内匀速加入混合
溶液搅拌，最后将PE纤维和钢纤维均匀加入混合料中搅拌，得到所述高韧性3D打印混凝土；

[0034] (3)混凝土3D打印复合材料的制备：所述常规3D打印混凝土和所述高韧性3D打印混凝土采用挤出喷头和与所述挤出喷头相连通的螺杆进行3D打印，所述挤出喷头为内外嵌
套式，所述螺杆为空心螺杆，所述高韧性3D打印混凝土的挤出喷头从所述常规3D打印混凝
土的所述空心螺杆中穿过。

[0035] 进一步的，所述常规3D打印混凝土设置于所述高韧性3D打印混凝土的外部，所述常规3D打印混凝土和所述高韧性3D打印混凝土的挤出喷头的挤出速度比与所述内外嵌套
式喷头面积比相同。

[0036] 因此，本发明采用上述结构的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺，借助高韧性3D混凝土材料优异的力学韧性用于増韧常规3D打印混凝土，实现了在钢
筋网架难以同步植入情况下的材料加筋难题；高韧性3D打印混凝土与常规3D打印材料在新
拌状态下实现复合材料制备，可有效避免材料的新老界面问题，实现复合材料的协同承载；
两种材料均为混凝土材料，相较于钢筋混凝土材料，其属性更加一致，可有效避免因两种材
料物理差异导致的界面问题；高韧性3D混凝土増韧常规3D打印混凝土，大幅提升了3D打印
混凝土的力学性能。

[0037] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0038] 图1是本发明一种高韧性化混凝土3D打印复合材料的三维示意图；

[0039] 图2是本发明一种高韧性化混凝土3D打印复合材料的截面图；

[0040] 图3是实施例1‑3提供的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料成品的荷载‑跨中挠度曲线；

[0041] 图4是对比例提供的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料成品的荷载‑跨中挠度曲线。

[0042] 图中：1、高韧性3D打印混凝土；2、常规3D打印混凝土。

具体实施方式

[0043] 以下将对本发明进行进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于本实施例。

[0044] 实施例1

[0045] 按重量份数计，将硅酸盐水泥720份、硫铝酸盐水泥80份、硅灰200份、石英砂1200份混合，得到混合物料；按重量份数计，将减水剂10份、纤维素3份与300份水混合，得到混合
溶液。将得到的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌2分钟；然后在10s之内匀速加入混合溶液
搅拌10分钟；最后将9份的PE纤维和78份的钢纤维均匀加入混合料中搅拌2分钟，即得到所
述高韧性3D打印混凝土1。

[0046] 按重量份数计，将硅酸盐水泥720份、硫铝酸盐水泥80份、硅灰200份、石英砂1400份混合，得到混合物料；按重量份数计，将减水剂4份与350份水混合，得到混合溶液。将得到
的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌2分钟；然后在10s之内匀速加入混合溶液搅拌10分钟，
即得到所述常规3D打印混凝土2。

[0047] 将上述高韧性3D打印混凝土1和常规3D打印混凝土2通过专用的挤出喷头进行3D打印，常规3D打印混凝土和高韧性3D打印混凝土的挤出喷头的挤出速度比与所述内外嵌套
式喷头面积比相同，挤出喷头为内外嵌套式，设置内置打印喷头直径为2cm，用于挤出高韧
性3D打印混凝土2，设置外置打印喷头直径为3cm，用于挤出常规3D打印混凝土1，为了保证
常规3D打印混凝土2和高韧性打印混凝土1在同一横截面上同时挤出，设置合理打印参数，
常规3D打印混凝土2挤出速度11.3L/min，高韧性3D打印混凝土1挤出速度为7.3L/min进行
打印。打印得到的产品截面示意图如图2所示，力学性能表征如图3中实施例1。

[0048] 实施例2

[0049] 实施例2与实施例1不同之处在于将高韧性3D打印混凝土中的“硅酸盐水泥720份、硫铝酸盐水泥80份”替换为“硅酸盐水泥760份、硫铝酸盐水泥40份”，其他步骤与实施例1相
同，即得到的本发明所述复合材料。将所述复合材料采用实施例1中3D打印参数进行打印，
力学性能表征如图3中实施例2。

[0050] 实施例3

[0051] 实施例3与实施例1不同之处在于将高韧性3D打印混凝土中的“硅酸盐水泥720份、硫铝酸盐水泥80份”替换为“硅酸盐水泥700份、硫铝酸盐水泥100份”，其他步骤与实施例1
相同，即得到的本发明所述复合材料。将所述复合材料采用实施例1中3D打印参数进行打
印，力学性能表征如图3中实施例3。

[0052] 对比例

[0053] 按重量份数计，将硅酸盐水泥720份、硫铝酸盐水泥80份、硅灰200份、石英砂1400份混合，得到混合物料；按重量份数计，将减水剂4份与350份水混合，得到混合溶液。将得到
的混合物料在搅拌锅中进行预搅拌2分钟；然后在10s之内匀速加入混合溶液搅拌10分钟，
即得到所述常规3D打印混凝土2，将所述对比例采用实施例1中3D打印参数进行打印，力学
性能表征如图4中的对比例。

[0054] 从图4可知，对比例中采用与实施例1相同的方法制备的常规3D打印混凝土材料，其3D打印力学性能较低，而采用本发明实施例1～3提供的复合材料，荷载‑跨中挠度曲线显
示得到明显改善，具有高强和高韧的特性。本发明借助高韧性3D混凝土材料优异的力学韧
性用于増韧常规3D打印混凝土，实现了在钢筋网架难以同步植入情况下的材料加筋难题，
能够大力改善常规3D打印在力学性能方面的不足。

[0055] 因此，本发明采用上述结构的一种高韧性化混凝土3D打印复合材料及其协调打印工艺，借助高韧性3D混凝土材料优异的力学韧性用于増韧常规3D打印混凝土，实现了在钢
筋网架难以同步植入情况下的材料加筋难题；高韧性3D打印混凝土与常规3D打印材料在新
拌状态下实现复合材料制备，可有效避免材料的新老界面问题，实现复合材料的协同承载；
两种材料均为混凝土材料，相较于钢筋混凝土材料，其属性更加一致，可有效避免因两种材
料差异导致的界面问题；高韧性3D混凝土増韧常规3D打印混凝土，大幅提升了3D打印混凝
土的力学性能。

[0056] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修
改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。