[发明专利]一种含SiO2气凝胶的3D打印保温混凝土及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含SiO₂气凝胶的3D打印保温混凝土及其制备方法。该混凝土包括如下组分：水泥、硅灰、石英砂、河沙、SiO₂气凝胶、减水剂、水和亲水性表面活性剂。本发明利用亲水性表面活性剂对疏水性气凝胶进行改性来降低气凝胶的疏水性，在不改变气凝胶属性的前提下，提高疏水性气凝胶在水泥砂浆中掺量，同时保证混凝土的流动性，从而降低混凝土导热系数，提高混凝土保温效果。

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体是一种含SiO₂气凝胶的3D打印保温混凝土及其制备方法。

背景技术

3D打印技术可以根据需求制作异形物品的特点，使其广泛应用在医学、机械、塑料行业等。近年来，3D打印技术开始应用于混凝土中，3D打印混凝土技术指的是按照数字模型成型的行进路径，将水泥基材料作为打印材料，通过层层堆叠，最终形成三维结构或者构件的技术，3D打印混凝土技术已经成为土木行业研究热点之一。目前利用3D打印混凝土技术已成功制备出房屋、桥梁、公交站等公共设施，3D打印混凝土多为承重材料，具备保温隔热功能的3D打印材料研究较少。

气凝胶具备多孔结构，其导热系数比空气(0.023W/m·K)还低，由于气凝胶的低导热率、高比表面积、耐高温、防火不燃等优异的性能使其广泛应用在航空航天、物理研究等高精尖领域。由于气凝胶极低的导热系数，被称为“导热系数最低的固体材料”，其在保温砂浆/混凝土中应用越来越广泛，例如应用于普通混凝土、超高性能混凝土和泡沫混凝土等领域。这些应用都采用正常浇筑技术，目前气凝胶作为细骨料制作的保温混凝土还未被应用于3D打印领域。由于3D打印技术的挤出特性，加上气凝胶的超疏水属性，含高掺量气凝胶的混凝土流动性降低，不能满足可打印性，而在混凝土中掺量相对较少，又很难发挥其保温效果。

现有技术中，大多直接将气凝胶直接掺入混凝土，未对其进行改性，限制了气凝胶在混凝土中掺加量，从而使混凝土导热系数降低幅度有限。经过改进，部分3D打印保温混凝土通过发泡混凝土或混凝土中掺入聚苯乙烯颗粒的方式来降低混凝土导热系数，提高打印混凝土保温性能，但存在发泡工艺复杂、混凝土强度低，掺聚苯乙烯颗粒混凝土易燃、耐火性差等问题。之后，研究者利用改性剂(甲醇、硅烷偶联剂、N-己胺和乙腈等材料)对气凝胶进行改性，使其更好地与砂浆混凝土混合，但气凝胶改性过程存在过程复杂、耗时较长、改变气凝胶原有属性、掺杂后混凝土流动性降低等问题，同时只将改性后气凝胶应用于正常浇筑混凝土中，对掺杂改性后气凝胶混凝土的3D打印工艺尚无研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种含SiO₂气凝胶的3D打印保温混凝土及其制备方法。

本发明解决所述混凝土技术问题的技术方案是，提供一种含SiO₂气凝胶的3D打印保温混凝土，其特征在于，该混凝土包括如下组分：水泥、硅灰、石英砂、河沙、SiO₂气凝胶、减水剂、水和亲水性表面活性剂。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种含SiO₂气凝胶的3D打印保温混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按比例称取水泥、硅灰、石英砂、河沙、SiO₂气凝胶、减水剂、亲水性表面活性剂与水；

(2)将水泥、硅灰、石英砂和河沙混合，搅拌直至混合均匀，得到干料混合物；

将四分之一水加入SiO₂气凝胶中，搅拌至均一状态，得到气凝胶水溶液；

将减水剂与四分之一水混合，搅拌均匀得到减水剂溶液；

(3)将二分之一水与干料混合物混合，搅拌直至混合均匀，得到水泥砂浆；

将亲水性表面活性剂与气凝胶水溶液混合，搅拌改性，得到改性后气凝胶水溶液；