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建筑用3D打印材料的关键技术及力学性能研究

文章出处:行业资讯 责任编辑:东莞市德之健塑胶电子有限公司 发表时间:2022-04-18
  目前3D打印材料主要分为四种:塑料、金属、陶瓷、蜡等。这些3D打印材料有很大的成本差异和特定的应用需求。塑料的应用,如消费印刷和几个行业,消费产品的制造使用。在高端金属行业,如航空航天和国防、汽车、医疗和牙科等。陶瓷用于家居装饰;蜡被用于艺术、雕塑和其他领域。在这四种材料中,第一种塑料有机材料最有可能用于建筑3D打印。但如果在光聚合物、ABS、PLA、尼龙等热塑性材料中加入纤维,这些有机材料在高温下以熔融状态印刷,层层沉积固化,容易发生氧化、分解等化学反应,在制备和施工过程中会散发出难闻的有毒气体,对环境和人体造成危害;此外,有机材料对打印条件要求高,成本高,机械性能差,用有机材料制作的建筑宜居性差,这在一定程度上限制了建筑3D打印技术的应用。
现有的一般混凝土材料凝结时间较长,通常初凝时间为6-10h,终凝时间为24小时左右,无法满足3D打印时材料短时间内快速凝结的性能要求;而且一般是流体,不能满足3D打印时的垂直堆叠性能,所以不能作为3D打印材料。本发明提供了一种适用于建筑3D打印的水泥基复合材料,解决了现有技术中3D打印技术使用的材料多为有机材料的问题。还解决了现有普通水泥基材料凝结时间长、一般为流体、无触变性、不适合3D打印工艺的技术问题。
3D打印材料
建筑用3D打印材料的关键技术及力学性能研究
(1)水泥:河北唐山北极熊42.5R快硬硫铝酸盐水泥。
水泥的物理和机械性能
(2)减水剂:聚羧酸盐PC减水剂。减少拌和用水量,提高材料强度。
(3)细骨料:20-40目和40-70目机制尾矿。在3D打印材料中使用尾矿砂可以有效降低材料成本,减少工业固体废弃物对环境的污染,具有一定的节能环保效果。
(4)3D打印材料的关键技术是对材料凝结时间和强度的控制,对这两个指标的精确控制可以保证建筑物3D打印的连续性和安全性。在这项研究中,可用的添加剂是从各种促进剂和缓凝剂中选择的。其中早强剂有碳酸锂(J1)、氢氧化锂(J2)和硫酸钠(JBOY3乐队)。缓凝剂:硼酸(H1)、葡萄糖酸钠(H2)、酒石酸(H3)、柠檬酸(H4)、四硼酸钠(H5)和三聚磷酸钠(H6)。
(5)自制复合音量稳定器(VS)。确保材料具有良好的粘结性、较强的稳定性、良好的形状保持性和泵的粘结性能,打印出的建筑具有良好的形状和体积稳定性。复合添加剂包括触变剂、纤维素醚和纤维。
水泥基3D打印材料凝结时间控制的关键技术
快硬硫铝酸盐水泥虽然具有早期强度高、微膨胀等优点,但由于其水化快,在实际使用过程中往往需要一定的工作时间,尤其是在夏季高温环境下,需要使用合适的缓凝剂来控制施工时间。缓凝剂可以吸附在水泥颗粒表面,形成不溶性薄膜,对水泥颗粒的水化起到屏障作用,延缓水泥和浆体结构的快速形成,降低水泥的水化速度,使水泥的快速凝结和强度增长更加平缓,使3D打印材料的凝结时间更加稳定,易于控制。
不同缓凝剂对R-SAC凝结时间的影响趋势为H1>H2>H3>H5>H6,H4会导致R-SAC凝结时间异常。H1的加入大大延长了H1的缓凝效果,不利于控制,在实际使用中存在一定的风险。H2作为普通硅酸盐水泥的常用缓凝剂时,对R-SAC也起到很好的缓凝作用,可以作为硫铝酸盐水泥的合适缓凝剂。H3作为缓凝剂掺入时,掺量为0.05%时有轻微的促凝作用,掺量为0.1% ~ 0.3%时出现缓凝作用,趋势接近H2。H4也是普通硅酸盐水泥常用的缓凝剂,加入R-SAC后对凝结时间的影响不稳定,不适合用作R-SAC缓凝剂。随着H5掺量的增加,缓凝效果逐渐显现。随着掺量从0.1%变为0.3%,初凝时间从28分钟延长到109分钟,终凝时间从49分钟延长到148分钟。其缓凝效果比H1更稳定,可用作R-SAC的缓凝剂。当H6用作R-SAC的缓速器时,它可能具有加速作用,因此不建议使用H6作为R-SAC的缓速器。
用于3D打印材料凝固时间的复合凝固剂
铝酸盐水泥凝结时间的调整,建议在实际生产和工程应用中,采用速凝剂和缓凝剂复合调整的原理。实验表明,速凝剂碳酸锂和缓凝剂无水硼砂、葡萄糖酸钠和酒石酸的组合能有效调节硫铝酸盐水泥的凝结时间。
本研究通过大量实验,总结出能有效调节硫铝酸盐水泥系列材料在不同环境温度下的复合凝结调节剂JH。根据这一规律,微调缓凝剂的掺量可以制备出凝结时间10 min ~ 1 h可控的硫铝酸盐水泥基建筑3D打印材料。
3D打印材料的制备及力学性能研究
本研究3D打印材料以硫铝酸盐水泥和水淬矿渣粉复合胶凝材料为主要基体,添加工业尾矿机制砂,并添加减水剂、凝结时间复合凝结调节剂、复合体积稳定剂等化学添加剂来改善材料性能,使其能够满足3D打印工艺的技术要求。
本文主要研究3D打印材料的凝固时间控制技术及其对材料力学性能的影响。因此,以三种不同的复合凝固调节剂为变化对象,研究3D打印材料凝固时间和抗压强度的变化规律。
在三种不同的环境温度下,通过调节复合促凝剂中促凝剂和缓凝剂的组成,可以在10min-60min内灵活控制材料的凝结时间,调节范围广。可以满足不同季节、不同环境下的3D打印项目需求。这种3D打印材料早期强度高,具有快速凝固功能,2小时内抗压强度可达10 ~ 20 MPa。3天后抗压强度为40 ~ 50 MPa,28天后抗压强度为60MPa左右,可以满足3D打印建筑承重墙、柱的强度要求,还可以使打印构件具有良好的力学性能。
该3D打印材料具有原料成本低、对环境和人体无害、粘接性好、稳定性强、泵形保持性和粘接性好的优点。打印出的建筑具有良好的形状和体积稳定性,能够满足建筑3D打印施工连续性和建筑强度的要求。打印出的建筑和构件具有短时间内移动和组装的性能,在建筑3D打印中具有广阔的应用前景,可以极大地推动3D打印技术的应用和普及。
结论
3D打印材料采用硫铝酸盐水泥作为胶凝材料,可以克服普通硅酸盐水泥基材料凝结时间长、早期强度低等缺点。制备的3D打印材料早期强度高,2h抗压强度为10-20MPa,28d抗压强度可达50-60MPa。
在不同的施工温度下,通过调整促进剂J1与缓凝剂H2、H3、H5的比例,可以制备出适用于这种建筑3D打印材料的复合促凝剂,材料的凝结时间可以根据施工要求在20min-60min之间灵活控制。
R-SAC水泥基3D打印材料通过不同功能添加剂的调节,其工作性能、形状稳定性和强度能够满足建筑3D打印的连续性和结构的安全性。
该水泥基3D打印材料原料易得,可大量应用工业废弃物,成本低廉,制备和施工过程中不释放有毒气体,对环境和人体无害,可促进3D打印技术在建筑中的推广应用。
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