一种高抗冻性3D打印混凝土材料及其制备方法

本发明属于3d打印，尤其涉及一种高抗冻性3d打印混凝土材料及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土3d打印技术具有无模板、免人工的优势，适合极端环境下的无人建造，但现有的抗冻打印混凝土中不含粗骨料，抗冻性能或力学性能不满足结构件的要求或者成本较高，难以投入实际工程应用。

2、粗骨料在混凝土中起到骨架的支撑作用，水泥浆将骨料包裹连为一体，提高粗骨料的用量，可以提高混凝土基体的强度和抗冻性，并降低其成本。但是加入粗骨料会影响混凝土的挤出性和建造性，如何平衡混凝土的挤出性和建造性就尤为重要。此外，目前提高混凝土抗冻性的同时往往会牺牲混凝土的力学性能，因此开发一种满足打印性能并且兼顾力学性能和抗冻性能的混凝土材料很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高抗冻性3d打印混凝土材料及其制备方法，保证制备的混凝土材料具有良好的抗冻性能和力学性能，实现极端环境下无人建造，免模板施工。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种高抗冻性3d打印混凝土材料，按照重量百分比计，该混凝土材料的组分如下：

4、水泥                 31~34%；

5、硅灰                 3~8%；

6、砂子                 18~28%；

7、粗骨料               18~28%；

8、纤维                 0.1~0.4%；

9、减水剂               0.3~1.0%；

10、引气剂               0.3~1.0‰；

11、纳米二氧化硅         0.2~0.8%；

12、硅烷偶联剂           0.2~0.8‰；

13、三乙醇胺             0.2~0.6%；

14、硬脂酸锌             0.1~0.3%；

15、水                   13.1~13.7%。

16、进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥，其比表面积为340~370m2/kg。

17、进一步地，所述硅灰的比表面积为大于15000m2/kg。

18、进一步地，所述砂子为连续级配的砂子，其粒径范围为0.15~0.5mm。

19、进一步地，所述粗骨料为连续级配的碎石，其粒径范围为5~10mm。

20、进一步地，所述纤维为聚甲醛纤维或钢纤维，聚甲醛纤维的长度为12mm，直径为0.2mm；钢纤维为长度13mm，直径0.2mm的镀铜微丝。

21、进一步地，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为30%，减水率大于20%。

22、进一步地，所述引气剂为阴离子型引气剂。

23、进一步地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为30nm。

24、进一步地，所述硅烷偶联剂是丙基三甲氧基硅烷。

25、进一步地，所述三乙醇胺总胺含量高于99.9%（质量分数），密度为1.12g/ml。

26、进一步地，所述硬脂酸锌的结构式为c36h70o4zn，分子量为632.33。

27、第二方面，本发明提供了一种高抗冻性3d打印混凝土材料的制备方法，包括：

28、步骤1，按重量配比将纳米二氧化硅溶于50%的乙醇溶液中，超声分散，得到纳米二氧化硅分散液；

29、步骤2，按重量配比将硅烷偶联剂缓慢滴入纳米二氧化硅分散液中，磁力搅拌，抽滤，烘干，研磨，过筛，得到改性二氧化硅粉末；

30、步骤3，按重量配比将水泥、硅灰、砂子和粗骨料混合，得到混合物料；

31、步骤4，按重量配比将改性二氧化硅粉末、三乙醇胺、硬脂酸锌、减水剂、引气剂与水混合，得到混合溶液；

32、步骤5，将混合物料进行预搅拌，预搅拌完成后均匀加入混合溶液搅拌，最后将纤维均匀加入混合料中搅拌，得到3d打印混凝土材料。

33、其中，步骤1中，超声分散时间为30~60min。

34、其中，步骤2中，磁力搅拌时间为3~6h，烘干温度为60℃，烘干时间为12h。

35、其中，步骤5中，预搅拌时间为30~60s，预搅拌完成后在30s内均匀加入混合溶液搅拌，最后在60s内将纤维均匀加入混合料中搅拌。

36、本发明提供的一种高抗冻性3d打印混凝土材料的配方中，各组分通过协同作用在满足混凝土可打印要求的同时，具有较高的抗冻性能和力学性能。配方中的粗骨料可以起到支撑和填充作用，提高混凝土的抗冻性能，同时降低细骨料的用量，从而降低混凝土材料的成本；配方中的硅灰能够提高新拌混凝土粘度，提升混凝土的可打印性并显著增强混凝土的抗冻性能和力学性能；配方中的纤维相互连接，起到桥接作用，并在混凝土进行冻融作用时抑制混凝土内部裂缝的产生和扩展；配方中的减水剂降低了混凝土材料的用水量，提升混凝土的工作性能，便于混凝土的打印；配方中的引气剂通过将新拌混凝土中引入大量均匀细小的气孔，提高混凝土的抗冻性能；配方中的改性纳米二氧化硅、三乙醇胺与硬脂酸锌能够起到稳气的效果，提高引气剂的引气效率，降低挤出工艺对引气剂的削弱作用。

37、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

38、1、本发明提供的高抗冻性3d打印混凝土材料掺加了大量的5~10mm的粗骨料，而目前国内外制备的3d打印抗冻混凝土，仅掺加河砂或石英砂等细骨料，不含粗骨料。掺加大量的粗骨料，能够提高混凝土的抗冻性能，同时降低细骨料的用量，从而降低混凝土材料的成本；

39、2、本发明提供的混凝土材料在制备过程中通过引气剂与减水剂调控混凝土材料的可挤出性，通过硅灰与纤维调控混凝土打印后的建造性，使混凝土兼备优异的挤出性和建造性造；

40、3、本发明通过复掺纤维与引气剂抑制混凝土内部裂缝的产生，提高混凝土的抗冻性能，并掺加适量硅灰，在保证混凝土具有良好抗冻性的同时力学性能优异；

41、4、由于3d打印混凝土为了良好的可建造性，会导致3d打印混凝土往往工作性能不佳，而引气剂在工作性能不好的混凝土中引气效率往往较低，并且3d打印过程中的挤出工艺会对引气剂的作用进行一定的削弱。本发明通过掺入改性纳米二氧化硅粉末、三乙醇胺与硬脂酸锌，可以提高引气剂的引气效率并降低挤出工艺对引气剂的削弱作用。

技术特征：

1.一种高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，按照重量百分比计，该混凝土材料的组分如下：

2.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，其比表面积为340~370m2/kg。

3.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述硅灰的比表面积为大于15000m2/kg。

4.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述砂子为连续级配的砂子，其粒径范围为0.15~0.5mm。

5.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述粗骨料为连续级配的碎石，其粒径范围为5~10mm。

6.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述纤维为聚甲醛纤维或钢纤维，聚甲醛纤维的长度为12mm，直径为0.2mm；钢纤维为长度13mm，直径0.2mm的镀铜微丝。

7.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，其固含量为30%，减水率大于20%。

8.根据权利要求1所述的高抗冻性3d打印混凝土材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的平均粒径为30nm。

9.根据权利要求1至8任一项所述的高抗冻性3d打印混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的高抗冻性3d打印混凝土材料的制备方法，其特征在于，将混合物料进行预搅拌30~60s，预搅拌完成后在30s内均匀加入混合溶液搅拌，最后在60s内将纤维均匀加入混合料中搅拌。

技术总结本发明公开了一种高抗冻性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31~34%水泥、3~8%硅灰、18~28%砂子、18~28%粗骨料、0.1~0.4%纤维、0.3~1.0%减水剂、0.3~1.0‰引气剂、0.2~0.8%纳米二氧化硅、0.2~0.8‰硅烷偶联剂、0.2~0.6%三乙醇胺、0.1~0.3%硬脂酸锌、13.1~13.7%水。本发明利用粗骨料本身优异的耐久性、科学的纤维长度与掺量、合适的引气剂掺量以及利用纳米二氧化硅、三乙醇胺与硬脂酸锌提高引气剂的引气效率，保证了制备的混凝土材料具有良好的抗冻性能和力学性能，实现了极端环境下自动建造，免模板施工。技术研发人员：张亚梅,石瑞超,贾子健受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27