[发明专利]一种3D打印水泥基材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，尤其是涉及一种3D打印水泥基材料及其制备方法。

背景技术

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。现在，3D打印技术已开始尝试用于房屋的建造。与传统建筑技术相比，3D打印建筑技术的优势体现在：速度快—可比传统建筑技术快10倍以上；可以制造出传统方式很难建造的复杂多样化建筑，且无需使用模板，降低了建筑成本；不需数量庞大的建筑工人，降低了施工中的安全风险；并且减少了废弃副产品，可以有效的利用建筑材料，大大减少水泥需求量，同时可减少建筑垃圾，具有低碳、绿色、环保的特点。

由于建筑物自身的特点，建筑物在打印制造过程中及制造完成后，对所用材料的施工性能、力学性能、功能性、耐久性以及经济性等有特定的要求，就目前情况而言，水泥混凝土依然是制造建筑物的首选，但由于打印建筑采用无模板、挤出并叠加成型的施工方式，对建筑材料的性能提出了更高的要求，传统的水泥混凝土并不适合用作3D打印建筑材料。

首先打印所用水泥基材料须具有良好的可挤出性，从打印水泥基材料挤出原理分析可知，打印水泥基材料同时具有自密实和可输送的流变性能，利用自密实性可以挤出打印连续条，可输送性能能确保打印材料在管道中连续传输；另外配置浆体中颗粒大小由打印头的大小决定，应严格限制大颗粒集料的出现，以防打印过程中发生堵塞。其次，材料要有良好的可建造性，打印条从打印头挤出后要有足够的硬度不发生变形，并且具有足够的强度支撑粘结在其上的打印层而不变形、不坍塌；另外，打印水泥基材料应具有良好的粘聚性，可以保证打印材料能够形成良好的条状，并且在打印过程中不发生间断，还能改善层与层间的粘结，减少性能薄弱的层间过渡区域。最后，打印材料需具有足够的可操作时间，一方面使材料具有足够长时间的可施工性，另一方面在足够长时间内，使材料可以保持良好的新拌性能如好的可挤出性、可建造性和粘结性等。

由于3D打印技术不同于传统的施工方式，与传统水泥混凝土相比，对3D打印混凝土提出了更高、更全面地要求，性能也发生了巨大变化，因此为适应3D打印技术在建筑中的应用，首要解决的问题是制备出符合3D打印建筑技术需要的具有良好工作性能、可建造性能、力学性能和耐久性能的打印水泥基材料，杨钱荣等人设计一系列方法来评价3D打印建筑砂浆的施工性能和可建造性，如通过简易装置测试评价打印建筑砂浆的挤出时间、可操作时间；通过测试打印混凝土的塑性变形(下垂度、侧向变形率)及打印建筑砂浆层间衔接性能来评价其的可建造性能，见专利中国申请201410558243.7，201410558262.X和201410558245.6，这些方法可用于评价3D打印建筑材料的相关性能，也为3D打印混凝土材料的设计与制备提供了基础。

中国专利CN104310918A公开了一种用于3D打印技术的水泥基复合材料及其制备方法和用途，包括占组合物总重量33％～40％的水泥，0％～8％的无机粉料、32％～38％的尾矿机制砂，2.5％～3％的高分子聚合物，0.1％～0.5％的减水剂和16.7％～20％的拌和水，混合物通过添加复合调凝剂、触变剂及体积稳定剂等制备成无机复合材料，后续可直接泵入建筑用3D打印机中应用于施工。虽然该专利测试了水泥基材料的一些常规的性能如凝结时间、抗压强度和竖向膨胀率，但这些性能难以真实反映在新施工方式下打印材料的施工性能和可建造性，如该材料以硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料，这样可使材料具有很高的早期强度和快速凝结功能，通过复合调凝剂调节材料的凝结时间，使其凝结时间在10-60min范围内，对于一般快速法施工而言，可基本满足施工要求，但对挤出法打印施工来说，由于硫铝酸盐水泥浆体流动性损失很快，会导致挤出性能和可建造性能差，材料极易在输送和打印时出现堵塞现象，同时也会严重影响打印层与层之间的衔接性能，使得打印层与层间之间出现很多缺陷，给建筑留下安全隐患。

针对3D建筑材料及其施工方法的特点，以及现有技术中存在的问题，本发明基于前期提出的3D打印建筑材料评价方法，提出一种能满足工作性能(挤出时间、可操作时间)要求，可建造性能(下垂度、侧向变形率、层衔接性能)、力学性能和耐久性能良好的3D打印水泥基材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有良好工作性能、可建造性能、力学性能和耐久性能的3D打印水泥基材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：