一种粉末3D打印高韧性快硬硫铝酸盐水泥基材料

本发明涉及新型无机材料，具体涉及一种粉末3d打印高韧性快硬硫铝酸盐水泥基材料。

背景技术：

1、近年来，3d打印技术逐渐兴起，并被广泛应用于建筑工程、工业制造、航空航天、生物医疗等诸多领域中。不同于传统施工过程，3d打印技术首先将数字三维模型切片成多层二维平面图形，然后通过顺序打印并叠加各层图形的方式进行立体模型的建造。3d打印技术在的建筑领域中的发展潜力巨大，将该技术应用于土木工程领域中具有重大意义，是绿色智能建筑方向的一大进步。

2、粉末3d打印技术作为一种新兴的增材制造技术，具有成型速度快、打印精度高、材料成本低、无模化施工和灵活智能化等方面的优点。这种技术是通过在铺设平整粉末材料的特定位置喷射粘结剂，使粉末材料粘结硬化成型，逐层堆叠，最终打印成型目标模型。目前，基于粉末3d打印技术研发出的石膏粉末材料体系，例如，中国专利cn104230289a和cn104744000a，但是使用该材料制备模型的强度较低，严重限制了其应用范围。相比之下，中国专利cn112759298a公开了一种水泥粉末制备的3d打印材料具有更高的抗压强度，但是使用磷酸镁水泥材料成型试件脆性较为明显且耐久性能较差，不适合在建筑工程中使用。

3、基于上述问题，本发明创造性地采用粉末3d打印高韧性快硬硫铝酸盐水泥基材料进行打印，能改善水泥基粉末3d打印材料的脆性问题及耐久性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种粉末3d打印高韧性快硬硫铝酸盐水泥基材料，能够实现硫铝酸盐水泥的粉末3d打印，改善磷酸镁水泥材料的脆性问题，提高了打印材料的力学性能和耐久性能。

2、本发明解决所述技术问题采用如下技术方案：

3、一种粉末3d打印高韧性快硬硫铝酸盐水泥基材料，该水泥基材料按重量份数计，其组成和含量分别为：

4、粉末组分：2～2.5份快硬硫铝酸盐水泥、0.3～0.6份石英砂、0.3～0.6份偏高岭土、0.15～0.3份硬石膏、0.15～0.3份促凝剂、0.15～0.3份减水剂、0.1～0.15份可再分散性乳胶粉、0.1～0.15聚乙烯醇(pva)粉末、0.05～0.1份碳纳米管、0.01～0.03份纳米氧化物；

5、粘结剂组分：0.01～0.03份1,2丙二醇、0.01～0.03份甘油、0.01～0.03份surfynol465表面活性剂、0.4～0.5份水；

6、所述粉末3d打印快硬硫铝酸盐水泥基材料的制备过程是：

7、1)硫铝酸盐水泥表面改性预处理：将快硬硫铝酸盐水泥和纳米氧化物共同放入行星式球磨机中粉磨至水泥颗粒之间不存在团聚现象且具有较好流动性，获得改性好后的硫铝酸盐水泥；

8、2)混合粉末材料：将改性后的快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、偏高岭土、硬石膏、促凝剂、减水剂和pva粉末放入搅拌机进行混合，搅拌时间不低于5min，然后加入可再分散性乳胶粉和多壁碳纳米管，继续搅拌均匀，放入料仓中备用；

9、3)混合粘结剂：将粘结剂组分中的surfynol465表面活性剂、1,2丙二醇和甘油溶于水中，超声振荡均匀获得粘结剂，放入墨盒中备用；

10、4)粉末打印：设置打印机参数，打印层厚为0.1-0.3mm，辊轴转速为300～500r/min，然后铺设一层粉末材料，将粘结剂喷射在平铺的粉末表面上，粘结剂与粉末材料反应粘结硬化，不断循环重复铺设粉末和喷射粘结剂的过程，获得打印试件；

11、5)去粉：将打印试件静置10min，从粉末床中取出并去除多余粉末，在饱和氯化钙溶液中浸泡不少于1h，再次放入水玻璃溶液中浸泡3h，获得满足脆性和耐久性要求的粉末3d打印快硬硫铝酸盐水泥基材料。

12、所述快硬硫铝酸盐水泥的粒径小于150μm；石英砂最大粒径不超过150μm；偏高岭土最大粒径不超过100μm，密度为2.54～2.6g/cm3；促凝剂主要由碳酸锂为原料制备而成，最大粒径不超过100μm；减水剂主要由木质素磺酸钙为原料制备而成，最大粒径不超过100μm；可再分散性乳胶粉为聚醋酸乙烯类可再分散乳胶粉，纯度大于98％，最大粒径不超过100μm；pva粉末为高聚合度聚乙烯醇，分子量15～25万，粒径小于100μm；碳纳米管为多壁碳纳米管，外径在30～50nm之间；

13、所述的纳米氧化物的粒径范围为30-50nm。

14、所述的纳米氧化物为纳米sio2、纳米二氧化钛、纳米氧化铁、纳米三氧化二铝、纳米二氧化锆等中的至少一种。

15、所述步骤1)中较好流动性为：通过漏斗法测试粉末流动性，取50g粉磨后的粉末放置在孔径2.5㎜标准漏斗中，测量全部漏出的时间，粉末完全流出时间在3s内，并能够观察到粉末的连续流动，则说明粉末具有较好的流动性。

16、同现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、1)本发明中采用纳米氧化物对快硬硫铝酸盐水泥进行表面改性，改性后的硫铝酸盐水泥颗粒形态更接近球形，纳米氧化物薄膜附着在水泥颗粒表面，能够减少水泥的潮湿以及颗粒之间的接触，从而有效的提高快硬硫铝酸盐水泥的流动性和铺展性能，解决硫铝酸盐水泥难以平整铺展的问题，且不改变水泥本身的化学性质。针对粉末3d打印快硬硫铝酸盐水泥材料，采用水溶液后处理养护，在打印成型后浸泡饱和氯化钙水溶液，使未水化的硫铝酸盐水泥进一步反应硬化，再次在水玻璃溶液中浸泡，使浸入打印模型孔隙内部的氯化钙与水玻璃溶液中的硅酸钠反应生成硅酸钙，填充打印模型内部孔隙，同时将水化硫铝酸钙晶体和钙矾石紧密粘接，形成致密的网状结构，提高材料的密度及力学性能。

18、2)本发明中在粉末组分中增加了适量的pva粉末、促凝剂以及硬石膏、偏高岭土，保证快硬硫铝酸盐粉水泥基粉末材料具有良好的流动性、铺展性，并能调控打印精度，且与粘结剂反应后能够快速硬化，通过调配粉末组分中各材料，优化了材料的打印性能以及成型试件的力学性能和耐久性能，成功获得力学性能和耐久性能要求的粉末3d打印高韧快硬的硫铝酸盐基水泥材料，拓宽了粉末3d打印技术在土木工程领域中的应用范围。

19、3)本发明粉末材料同时添加有可再分散性乳胶粉和pva粉末，可再分散性乳胶粉与粘结剂接触后能形成高韧性和高粘结性的膜，将粉末材料中的各组分紧密粘结，能够提高成型试件的强度和弯曲韧性。同时添加多壁碳纳米管，多壁碳纳米管搭接在内部的水化产物上，能够从细观尺度阻止水泥基体的裂缝开展，同时改性后的快硬硫铝酸盐水泥表面的纳米sio2能够与水泥材料反应发生火山灰效应，生成水化硅酸钙，并且未反应的纳米sio2颗粒能够填充水泥颗粒之间的孔隙，从微观尺度提升结构整体的致密性，提高打印试件的开裂荷载、极限荷载和弯曲荷载下的极限应变，为粉末3d打印技术在建筑结构工程中的应用提供了更多的可能性。

20、4)本发明中对粉末组分中各材料的粒径级配进行优选，保证铺设粉末床密实度高，粉末材料能够与粘结剂快速反应硬化，层间粘结性能好，成型试件具有较高的打印精度。