[发明专利]一种打印材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于建筑3D打印材料技术领域，公开了一种打印材料及其制备方法与应用。本发明的打印材料，按以下质量份数组成：100份快硬硫铝酸盐水泥SAC，23～27份粉煤灰，8～12份硅灰，130～180份石英砂，30～50份拌合水，0.4～0.6份聚羧酸减水剂，0.08～0.12份增稠剂HPMC，0.8～1.2份触变剂凹凸棒土，0.05～0.1份促凝剂碳酸锂，省略了缓凝剂，可大幅降低成本，提高经济效益；实现初凝时间在3～5分钟之内可控，与现有打印材料的凝结时间40～100分钟相比，缩短幅度较大；打印机1分钟内可打印5kg干料，打印构件可快速凝结并具有强度和打印效率，充分发挥3D打印快速建造优势，缩短工期，降低成本，并应用于市政抢险、建筑修补加固等需快速施工的工程环境和严寒地区、水下等特殊环境下的建筑3D打印。

技术领域

本发明涉及建筑3D打印材料技术领域，具体涉及一种打印材料及其制备方法与应用。

背景技术

建筑3D打印技术因具有智能化程度高、建造速度快、减少劳动力需求及节约成本等显著优势，应用潜力巨大，已逐渐成为世界各地快速上升的研究热点。3D打印水泥基材料在制备过程中需要控制流动性、挤出性、建造性、凝结时间及强度等关键性能指标，其中凝结时间和强度作为两个主要性能指标，对发挥3D打印快速建造的优势存在重要影响。现有打印设备大多由储存系统、泵送系统、出料系统、打印系统四个部分组成，需将搅拌好的混凝土浆料装入储存仓中，通过泵送系统将混凝土运输到打印头中，最后由打印头挤出打印材料实现3D打印。因此，打印材料在制备过程中往往需要加入缓凝剂来延长其凝结时间以保证顺利挤出。

在对国内外相关领域研究进行调研后发现，现有打印材料凝结时间普遍在40～70min左右甚至更长，如美国南加州大学的Zareiyan教授通过将60％硫铝酸钙和40％普通硅酸盐水泥混合，获得了45min凝结时间的水泥基材料，28d抗压强度为26.2MPa；澳大利亚斯威本科技大学的Sanjayan教授利用普通硅酸盐水泥开发了一种水泥基材料，其初凝和终凝时间分别为142/284min；法国里尔大学的Khalil教授使用93％的普通硅酸盐水泥和7％的硫铝酸钙水泥制成了一种3D打印砂浆，其初凝和终凝时间分别为110/150min，打印样品和浇筑样品28d抗压强度分别为79MPa和88MPa；中国建筑股份有限公司蔺喜强研发了一种由硫铝酸盐水泥和矿渣粉为主要基质的打印材料，加入了减水剂、以及复合体积稳定剂等必要化学外加剂，可实现打印材料凝结时间在20～60min之间；济南大学金喜在白水泥基材料中添加0.5％纳米二氧化硅，辅以减水剂、增稠剂等外加剂制成了一种3D打印砂浆，其凝结时间为114～182min，3d抗压强度为46.9MPa；浙江大学王海龙教授研发出3D打印高性能PVA纤维混凝土，在其中添加缓凝剂等外加剂使打印材料凝结时间控制在20～80min内。

现有打印系统中，打印材料加水搅拌后以流动状态进入打印系统，在严寒地区，因达不到水泥所需水化温度将会导致水泥基打印材料无法正常水化和凝结，进而无法实现构件的3D打印；在水下环境，水泥基打印材料如凝结时间较长，不能快速成型，构件也会因水流的冲击而坍塌，无法实现3D打印。这些都是现有常规建筑3D打印技术待解决的问题。

另外，现有的3D打印技术，因限于打印设备中水泥基材料的搅拌与挤出需要管道输送，要求使用的打印材料具有较长的凝结时间，需要在材料中添加缓凝剂等外加剂，这不仅会使产品增加成本、降低性能，也无法使其实现在寒冷及水下等特殊环境下的3D打印。

发明内容

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明所制备的速凝3D打印水泥基材料，去除缓凝剂，控制凝结时间在3～5min，并满足3D打印性能要求，特别是结合本发明人自主研发的物料搅拌和挤出同时进行的3D打印装置实现快速打印，使打印的构件可快速凝结硬化并具有强度，在节约材料成本、提升产品性能的同时，可大幅提升工作效率，充分发挥3D打印快速建造优势。因材料以干粉状态进入打印系统，可实现在寒冷及水下等特殊环境下的建筑3D打印应用。

本发明采用的技术方案如下：