[发明专利]3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用

说明书

本发明公开了一种3D打印用纤维增强水泥基材料(ECC)及制备、性能评价和应用。该水泥基材料利用完全工业固废生产的硫铝酸盐水泥作为早强剂，并参有拉伸强度及模量较高的聚乙烯纤维，将其引入到3D打印混凝土之中，应用于建筑3D打印、混凝土结构或构件的无筋建造或者混凝土结构的现浇，在拉伸、弯曲作用下具有应变强化和多缝开裂的特性，具有高延性和高耗能能力，解决3D打印素混凝土构件力学性能低下的问题；该纤维增强水泥基复合材料制备方法简单、成本低廉，低碳环保，具有一定的工程示范意义与社会效益。本发明还提供了该材料的3D打印性能评价方法，包括微坍落度试验、流动度试验以及流变性能试验。

技术领域：

本发明涉及一种3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用，属于土木工程材料技术领域。

背景技术：

近年来，随着国家大力提倡建筑工业化的转型升级，装配式建筑蓬勃发展，极大地提高了建筑业的生产力。然而不论是现浇结构体系抑或装配式结构体系均需要耗费较大的人力、能源、物料，并带来较大的环境污染。更高性能、更数字化、更集约化、更柔性化的建造方式已经成为结构领域国际研究的热点与难点。兴起于20世纪末期的3D打印技术，可以利用计算机自动控制技术，将事先设计好的三维数字模型以分步打印的方式制造出三维实体。随着技术的革新与发展，3D打印技术逐渐在建筑业崭露头角。基于3D技术易于建造复杂集合造型建筑构配件的优势，以及更加数字化、集成化的技术体系，建筑3D技术正处于发展的黄金阶段。纵观国内外，建筑3D打印技术已经有了较多实践；上海已经出现利用建筑废料制作的“油墨”打印出的小型建筑，而荷兰、英国等国家也出现了3D打印的混凝土桥梁等建筑结构。3D打印技术在建筑业的兴起势在必行。

而就目前建筑3D打印的应用状况而言，其核心问题是打印构件如何确保力学性能能够满足实际工程的需求。一些应用实例采用打印外模板、内填充钢筋进行混凝土现浇的方式满足力学性能，然而这与3D打印技术的原生技术优势背道而驰，反而加大了施工的复杂程度，降低了机械自动化程度。同时绝大多数针对3D打印设计的混凝土材料，均为仅调整了流变性能的改性混凝土，对混凝土本身的拉伸、剪切强度没有提高，仍需要钢筋辅助受力。因而，针对纯3D打印建筑部品，如何实现素混凝土的免配筋抑或少配筋，这是技术研究的改进方向。本发明旨在从材料出发，从源头解决素混凝土脆性的力学特征，将ECC材料(即超高韧性的纤维增强水泥基复合材料)引入建筑3D打印，利用其在拉伸、弯曲作用下具有应变强化和多缝开裂的特性，以及高延性、高韧性和高耗能能力，实现一种超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，将其应用于建筑3D打印之中。

发明内容

技术问题：基于前述技术背景，本发明的目的是提供一种3D打印用纤维增强水泥基材料及制备、性能评价和应用，该水泥基材料具有超高韧性，利用完全工业固废生产的硫铝酸盐水泥作为早强剂以及拉伸强度及模量较高的聚乙烯纤维配制混凝土打印材料，可以显著地提高混凝土材料的拉伸、弯曲力学性能，实现应变强化和多缝开裂的特性，同时具有优异的可打印性，节能环保，有利于实现3D打印混凝土构件的免配筋或少配筋的性能效果；应用了该项材料的建筑3D打印构件可以实现性能化的力学拓扑设计，并在一定程度上摆脱使用钢筋的建造，提高3D打印建筑构件的韧性与安全冗余系数。

技术方案：本发明提供了一种3D打印用纤维增强水泥基材料，该水泥基材料具有超高韧性，按照重量份数包括以下组分：

其中：

所述普通硅酸盐水泥的28天抗折强度为9～12MPa，28天抗压强度为50～55MPa，标准稠度用水量为22～27％，初凝时间为130～150min，终凝时间为230～260min。

所述硫铝酸盐水泥包含赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏组分，其烧失量为10～14％、1天抗压强度75～85MPa。

所述硅灰的比表面积为25～29m²/g、密度为2.0～3.0g/cm³，其中SiO₂的质量含量≥90wt％。