[发明专利]一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法

说明书

本发明涉及建筑材料先进制备技术领域，具体涉及一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，包括原材料准备与处理、打印浆料制备、同轴打印平台构建、强韧化水泥基材料打印和养护水化；通过融合微界面聚合物增韧机制，实现了多尺度仿生结构精确构筑和强韧化性能调控。制备得到了高强度和高韧性的新型水泥基工程材料，解决了水泥基材料强度与韧性互斥的瓶颈问题。因此提高了结构抵御灾害的风险能力、保障了钢筋‑混凝土长期协同工作，促进了土木工程领域低能耗、绿色化发展。

技术领域

本发明涉及建筑材料先进制备技术领域，具体涉及一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法。

背景技术

传统的水泥基材料具有抗拉强度低、韧性不足和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，因此，传统的水泥基材料在遭受地震、爆炸冲击等作用下，极易发生不可预兆的脆性破坏行为。并存在触发建筑结构构件失效或整体坍塌破坏的潜在风险，给人民的生命财产安全和城市抵御灾害能力带来了巨大的挑战。产生脆性破坏的主要原因为内部微观结构的高度无序性以及大量存在的薄弱界面、微裂纹等缺陷。

建筑3D打印水泥基材料同样存在上述的韧性不足的问题，这是因为打印水泥基材料存在层间粘结强度不足、微观结构有序性差以及大量的薄弱界面、微裂纹等缺陷造成的。使得水泥基材料3D打印的应用受到了一定的限制，阻碍其进一步发展。

因此，对于水泥基材料，需要开发一种高强度、高韧性的3D打印制备方法，解决当前工程材料存在层间薄弱界面，结构无序和质脆易碎的关键科学问题

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，实现水泥基材料强度与韧性的同步增强。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于3D同轴打印成型的水泥基强韧化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，原材料准备与处理

内轴所用的原材料为普通硅酸盐水泥、缓凝剂、减水剂和增塑剂，通过球磨细化处理内轴原材料，将内轴原材料制备成粒径分布在200nm到10μm范围的超细粉末原料；外轴所用的原材料为弹性增塑材料和纤维材料，所述弹性增塑材料为聚乙烯醇、水性环氧树脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇混合而成的水溶液；

步骤二，打印浆料制备

内轴浆料，将球磨细化好的超细粉末原料按比例配制好，然后通过高速剪切搅拌机以3000-5000r/min的转速搅拌均匀；

外轴增强浆料：将纤维材料加入到弹性增塑材料的水溶液中，搅拌均匀；

步骤三，同轴打印平台构建

采用伺服电机和高精度传动丝杠，并结合空间限位器、升降台等辅助部件，搭建具有X、Y、Z空间三轴方向快速传动和高精度定位功能的三轴机械平台，定位精度为1-10μm；采用微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，进行浆料推进和压力反馈与控制；制造同轴打印喷嘴；

步骤四，强韧化水泥基材料打印

采用电脑软件(CAD、3DMax、Solidworks等)进行结构化设计，将处理好的STL模型切片数据导入计算机数控端，计算机将数字信号传输到通讯板，通过控制通讯板连接控制电脑(G-Code驱动软件)、同步发出供墨通讯指令和打印驱动指令；基于微量数字控制注射泵和高精度压力控制器，待同轴供墨通讯指令发出后，打开不同通道的气体电磁控制阀，使得内外管道形成可打印的带压浆料，然后浆料经由同轴打印针头按需、定量、均匀挤出，最终通过层层沉积的方式形成刚-柔两相交错叠合的“砖-泥”层状水泥基结构；

步骤五，养护水化

将打印成型水泥基材料经过标准条件进行养护，最后形成具有高强、高韧性的水泥基材料。