可宽口径喷头施工的3D打印混凝土及其制备方法

摘要

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及可宽口径喷头施工的3D打印混凝土及其制备方法，本发明通过采用大量工业废弃物，不添加高成本增稠剂和分散性差的纤维材料，并调整3D打印混凝土配方，实现具有良好可挤出性和可建造性的含再生粗骨料的3D打印混凝土。

权利要求

1.一种可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥200‑300份，

掺合料50‑100份，

再生混凝土粗骨料300‑400份，

再生砖粗骨料100‑200份，

沙漠砂350‑400份，

减水剂8‑12份，

三乙醇胺2‑5份，

酒石酸3‑6份，

水60‑100份。

2.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述低熟料矿渣水泥由15‑25%硅酸盐水泥熟料、65‑75%矿渣、9‑11%石膏共同粉磨而成。

3.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述低熟料矿渣水泥强度等级为42.5级。

4.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述掺合料为粉煤灰、矿粉、硅灰的至少一种。

5.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述再生混凝土粗骨料粒径为25‑30mm。

6.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述再生砖粗骨料粒径为5‑15mm。

7.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述沙漠砂细度模数为0.3‑1.1。

8.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪族减水剂的至少一种。

9.根据权利要求1所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，其特征在于，所述水为自来水。

10.根据权利要求1‑9任一所述的可宽口径喷头施工的3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按重量份称取各原料，备用，

2）将低熟料矿渣水泥、掺合料、沙漠砂、再生混凝土粗骨料、再生砖粗骨料依次加入搅拌机干拌均匀，得干拌料，

3）将减水剂、三乙醇胺、酒石酸依次加入水中溶解，倒入搅拌机与干拌料拌合均匀，即得。

说明书

可宽口径喷头施工的3D打印混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及可宽口径喷头施工的3D打印混凝土及其制备方法。

背景技术

[0002] 3D打印技术自问世以来，由于其增材制造的特点被广泛研究与应用，水泥基建筑材料作为最大宗的土木工程材料，近年来采用3D打印技术的研究也越来越多。

[0003] 3D打印混凝土是以混凝土作为打印原料，采用相适应的3D打印机为设备，通过设计程序和控制系统进行分层打印建造的新技术，与传统混凝土施工工艺相比，3D打印混凝土无需模板即可打印制作所需构件，施工过程节能环保，劳动强度小，原料浪费少，施工周期短，具有良好的施工效率和安全性，属于可持续发展的绿色施工新材料。但独特的制作方式要求3D打印混凝土具有可挤出性和可建造性，打印设备对混凝土的约束性较高，其中，打印机喷头尺寸决定混凝土粗骨料的粒径上限，而粗骨料粒径越大对混凝土可3D打印性能的影响也越大，因此，大部分3D打印混凝土采用砂浆或净浆，虽然有部分研究进行含粗骨料混凝土的3D打印施工，但也存在一定的问题。

[0004] 现有技术CN104891891A公开一种3D打印水泥基材料及其制备方法，采用粉状胶凝材料和骨料组成，所述的粉状胶凝材料由水泥、活性掺合料、减水剂、早强剂、调凝剂、膨胀剂、粘结剂、引气剂、保塑剂、憎水剂、淀粉醚、粉末填料和纤维组成，所述的骨料由细骨料和粗骨料组成，CN110228976A公开了一种用于3D打印的粗骨料混凝土油墨材料及其应用，该材料按照重量百分比包括以下组分：水泥31％～44％、矿物掺合料2％～10％、纤维0.1％～2％、砂子18.7％～45.3％、石子20.3％～45.3％、减水剂0.1％～1％、保水增稠剂0.01％～
0.1％，CN112374824A公开了一种抗开裂含粗集料3D打印混凝土材料，按照重量百分比计，该混凝土材料包含以下组分且各组分含量为：水泥28～45％；矿物掺合料5～15％；纤维
0.08～2.8％；细集料15～40％；粗集料20～40％；超塑化剂0.8～1.5％；触变剂0.15～
1.0％；温控减缩剂1.5～3.5％，CN112408918A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％，CN114163183A公开一种含粗骨料的3D打印混凝土材料及其制备方法，按照重量百分比计，该混凝土材料包含35‑48%胶凝材料、5 7%复~
配纤维、6 12%矿物掺和料、1 2%纳米粘土、15 28%复配细骨料、12 24%粗骨料、0.5 1%减水~ ~ ~ ~ ~
剂、1 2%纤维素醚、10 12%水。然而，现有技术3D打印混凝土为满足打印要求，需添加大量纤~ ~
维素醚类增稠剂、纤维等原料，然而，纤维素醚类原料价格高，用量不容易控制，纤维材料分散性较差，易导致混凝土打印结团，并且，现有技术大粒径粗骨料3D打印混凝土采用大量天然粗细骨料，而对再生骨料的利用较少，制约了3D打印混凝土的广泛推广。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，通过采用大量工业废弃物，不添加高成本增稠剂和分散性差的纤维材料，并调整3D打印混凝土配方，实现具有良好可挤出性和可建造性的含再生粗骨料的3D打印混凝土。

[0006] 本发明可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，具体的，由以下重量份原料组成：

[0007] 低熟料矿渣水泥200‑300份，

[0008] 掺合料50‑100份，

[0009] 再生混凝土粗骨料300‑400份，

[0010] 再生砖粗骨料100‑200份，

[0011] 沙漠砂350‑400份，

[0012] 减水剂8‑12份，

[0013] 三乙醇胺2‑5份，

[0014] 酒石酸3‑6份，

[0015] 水60‑100份。

[0016] 优选的，所述低熟料矿渣水泥由15‑25%硅酸盐水泥熟料、65‑75%矿渣、9‑11%石膏共同粉磨而成。

[0017] 优选的，所述低熟料矿渣水泥强度等级为42.5级。

[0018] 优选的，所述掺合料为粉煤灰、矿粉、硅灰的至少一种。

[0019] 本发明采用低熟料矿渣水泥、掺合料作为胶凝材料，其中低熟料矿渣水泥与普通硅酸盐水泥相比，熟料含量低，石膏含量高，其水化初期以矿渣为基点生成大量呈放射状的钙矾石，随着钙矾石生成会降低液相中的CaO含量，随之生成的水化硅酸钙同样呈现低碱特点，配合大量掺合料的加入，水泥基混合料浆体对原料的适应性增强，可用于再生粗骨料配制3D打印混凝土，为保证混凝土的可挤出性和可建造性，本发明添加三乙醇胺和酒石酸作为外加剂，三乙醇胺可以提高低熟料矿渣水泥浆体粘度，酒石酸可调整降低流动性，调整浆体屈服应力，并且三乙醇胺还具有部分早强效果，可弥补胶凝材料中熟料总量低导致的力学性能不足。

[0020] 优选的，所述再生混凝土粗骨料粒径为25‑30mm。

[0021] 优选的，所述再生砖粗骨料粒径为5‑15mm。

[0022] 优选的，所述沙漠砂细度模数为0.3‑1.1。

[0023] 本发明采用再生混凝土粗骨料、再生砖粗骨料，且再生混凝土粗骨料粒径大于25mm，而现有技术一般情况下再生粗骨料粒径均低于25mm，本发明克服了现有技术用于3D打印混凝土的粗骨料的最大粒径应该尽量小的缺点，可降低再生骨料破碎能耗；沙漠砂于中砂相比，在化学成分和颗粒级配上存在较大差异，沙漠砂粒度更细，细度模数较小，属于超细砂范畴，本发明通过对再生混凝土粗骨料、再生砖粗骨料、沙漠砂粒径和级配进行调整，经原材料和配合比的优化制备满足3D打印施工要求的混凝土，大量节约了天然资源，具有良好的环境效益。

[0024] 优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪族减水剂的至少一种。

[0025] 优选的，所述水为自来水。

[0026] 本发明还涉及上述可宽口径喷头施工的3D打印混凝土的制备方法，具体的，包括如下步骤：

[0027] 1）按重量份称取各原料，备用，

[0028] 2）将低熟料矿渣水泥、掺合料、沙漠砂、再生混凝土粗骨料、再生砖粗骨料依次加入搅拌机干拌均匀，得干拌料，

[0029] 3）将减水剂、三乙醇胺、酒石酸依次加入水中溶解，倒入搅拌机与干拌料拌合均匀，即得。

[0030] 本发明可宽口径喷头施工的3D打印混凝土制备工艺简单，原料廉价易得，具有优良的可挤出性和可建造性。

具体实施方式

[0031] 为表征本发明的技术效果，对本发明可宽口径喷头施工的3D打印混凝土进行效果测试，制备过程中采用42.5级低熟料矿渣水泥，再生混凝土粗骨料粒径为25‑30mm，再生砖粗骨料粒径为5‑15mm，沙漠砂细度模数为0.8，水为自来水。

[0032] 对实施例和对比例混凝土3D打印效果进行观察和描述，打印过程累计叠加10层混凝土浆料，每层厚度40mm，并制备150×150×150mm立方体试件测试28d抗压强度。

[0033] 实施例1

[0034] 可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥230份，粉煤灰90份，再生混凝土粗骨料350份，再生砖粗骨料180份，沙漠砂360份，减水剂10份，三乙醇胺3份，酒石酸3份，水80份。

[0035] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性好，叠加体无坍塌和倾斜，试件28d抗压强度45.6MPa，从试件破坏断面来看再生粗骨料分布均匀，无沉降。

[0036] 实施例2

[0037] 可宽口径喷头施工的3D打印混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料340份，再生砖粗骨料190份，沙漠砂380份，减水剂12份，三乙醇胺2份，酒石酸4份，水85份。

[0038] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性好，叠加体无坍塌和倾斜，试件28d抗压强度52.3MPa，从试件破坏断面来看再生粗骨料分布均匀，无沉降。

[0039] 对比例1

[0040] 混凝土，由以下重量份原料组成：普通硅酸盐水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料340份，再生砖粗骨料190份，沙漠砂380份，减水剂12份，三乙醇胺2份，酒石酸4份，水85份。

[0041] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性较较好，叠加体坍塌，但稍微发生倾斜，试件28d抗压强度46.6MPa，从试件破坏断面来看再生混凝土粗骨料分布靠下，再生砖粗骨料部分上浮。

[0042] 对比例2

[0043] 混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料530份，河砂中砂380份，减水剂12份，三乙醇胺2份，酒石酸4份，水85份。

[0044] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性差，无法打印成型，叠加体在铺设第三层时坍塌。

[0045] 对比例3

[0046] 混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料340份，再生砖粗骨料190份，沙漠砂380份，减水剂12份，酒石酸6份，水85份。

[0047] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性较差，无法打印成型，叠加体在铺设第五层时坍塌。

[0048] 对比例4

[0049] 混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料340份，再生砖粗骨料190份，沙漠砂380份，减水剂12份，三乙醇胺6份，水85份。

[0050] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性差，无法打印成型，叠加体在铺设第二层时坍塌。

[0051] 对比例5

[0052] 混凝土，由以下重量份原料组成：低熟料矿渣水泥260份，粉煤灰80份，再生混凝土粗骨料340份，再生砖粗骨料190份，沙漠砂380份，减水剂12份，羟丙基甲基纤维素醚6份，水85份。

[0053] 经检测，混凝土浆体3D打印可挤出性和可建造性差，无法打印成型，浆体挤出时发生坍落和离析，再生混凝土粗骨料和再生砖粗骨料发生下沉。

[0054] 最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式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：
其依然可以对前述各实施方式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发明各实施方式技术方案的范围。