华千素(HQS)在3D打印细骨料混凝土中的应用

随着3D打印技术的发展,近年来在建筑业也引发了热议。3D打印建筑技术与传统建筑相比,其优势在于:(1)速度快,不需要使用模板,可大幅节约成本;(2)不需要数量庞大的建筑工人,大大提高了生产效率;(3)可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本去曲线建筑;(4)具有低碳、绿色、环保等特点。

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目前,3D打印建筑技术的主要作品包括:

2012年1月,美国宇航局(NASA)出资与美国南加州大学合作,研发出“轮廓工艺”3D打印技术。

2013年1月,荷兰设计师Janjaap Ruijssenaars计划采用3D打印技术建造仿莫比乌斯环的3D打印房屋。

2013年1月,欧洲航天局已着手同建筑公司Forster+Parterners联手研发在月球上打印一座空间站项目,计划利用月球现成的土壤及其他材料通过3D打印技术将其制成建筑材料,进而完成空间站的建设。

2013年1月,中国上海盈创公司利用高强度等级水泥和玻璃纤维复合制造了首批3D打印建筑,引发国内外多方关注。

2013年2月,英国设计师Softkill Design开始着手使用3D打印技术以纤维尼龙为结构材料建造大批民用住房。

2013年3月,荷兰公司DAS的建筑师建造了打印机,号称将建造“第一”的3D打印运河屋。2014年1月,实现了3D打印运河屋组件的实际三维打印,预计用三年时间完成组装。

2015年2月,中国上海盈创公司利用高强度等级水泥和玻璃纤维在苏州工业园区展示3D打印了一栋面积1100m2的别墅和一栋6层居民楼。

限制3D打印建筑的关键因素是打印材料,有机材料虽适合3D打印,但对打印条件要求高、成本高、力学性能差、宜居性也不好,况且在打印过程中还会释放出难闻的有毒气体,对环境和人体造成危害;如采用普通混凝土材料,又存在着:

(1)凝结时间长(一般地,混凝土的初凝时间6-10h,终凝时间24h左右),不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求;

(2)普通混凝土一般都有流动性,无法满足3D打印过程中的竖直堆积性能,所以无法作为3D打印建筑材料使用。

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本文研究并提供了一种采用华千素(HQS)技术配制可以用于3D打印建筑使用的水泥基细骨料混凝土材料解决方案,基本上解决了普通水泥基材料凝结时间长、呈现流动性、没有触变性、不适合3D打印建筑过程的技术问题。

1 原材料

1.1 水泥:某水泥公司生产的42.5R快硬硫铝酸盐水泥,水泥化学成份见表1及物理力学性能见表2。

表1  水泥化学成分(%)

Al2O3

CaO

SO3

SiO2

Fe2O3

MgO

Loss

35.17

42.54

10.79

6.13

1.53

1.24

2.10

表2  水泥物力力学性能

凝结时间/min

抗压强度/Mpa

抗折强度/Mpa

标准稠度用水量/%

安定性

初凝

终凝

3d

28d

3d

28d

45

73

47.6

55.7

7.70

8.60

27.9

合格

1.2 细骨料:某公司生产的符合国标《建筑用砂》(GB/T 14684-2001)规定,且洁净、坚硬、级配良好的20-40目机制尾矿砂和40-70目机制尾矿砂。

1.3 矿粉:某公司生产的S95级优质矿渣微粉,比表面积436m2/kg,28d活性指数98.4%,流动度比101%。

1.4 外加剂:北京华千新技术有限公司自主研制生产的HQS-B华千素,掺加量一般为水泥重量的8-10%,取8%;北京华千新技术有限公司自主研制生产的HQS-C华千素,掺加量一般为预制拌合物总重量的3-5,取4

1.5 拌和水:满足国家标准《混凝土用水标准》(JGJ 63-2006)要求。

2 配合比

本文通过大量的反复试配试验后,给出的一种在标准环境温度下可以满足3D打印要求的配合比,见表3。

表3  3D打印混凝土参考配合比/kg

水泥

矿粉

20-40目砂

40-70目砂

HQS-B华千素

HQS-C华千素

400

100

300

200

32

4

由于凝结时间跟环境温度有很大的关系,环境温度越高,凝结时间越快。使用者可以根据所选用的原材料不同,可以通过调整HQS-B华千素和HQS-C华千素的掺加量或者更换初凝时间更短(比如在15-25min)的快硬硫铝酸盐水泥去调整不同使用环境温度下的凝结时间,可调整的时间范围较大,一般在10-60min之间。

3 性能指标

满足3D打印的水泥混凝土材料必须具有很高的早期强度和快速凝结功能,在强度方面,要求2h的抗压强度要求在10-20Mpa之间,3d的抗压强度在40-50Mpa之间,28d的抗压强度在60Mpa左右,只有这样才能满足承重墙和柱的强度要求。表4为按照“表3  3D打印混凝土参考配合比”、采用初凝时间为45min的42.5R快硬硫铝酸盐水泥的测试结果。

表4  3D打印混凝土凝结时间与力学性能

环境温度/

凝结时间/min

抗压强度/Mpa

初凝

终凝

2h

1d

3d

28d

5-10

140

175

----

35.5

45.2

61.5

15-20

75

90

5.5

38.9

52.5

62.8

30

47

59

19.9

46.5

55.9

68.0

在“表3  3D打印混凝土参考配合比”中,可以通过更换初凝时间更短(比如在15-25min)的42.5R快硬硫铝酸盐水泥,实现进一步缩短凝结时间和提高早期强度,测试结果见表5。

表5  3D打印混凝土凝结时间与力学性能

环境温度/

凝结时间/min

抗压强度/Mpa

初凝

终凝

2h

1d

3d

28d

5-10

33

50

16.3

37.5

47.9

60.3

15-20

15

26

24.8

42.0

54.9

59.9

30

8

15

29.9

47.8

56.5

64.7


4 结论

4.1 3D打印混凝土采用硫铝酸盐水泥作为胶凝材料能给克服普通硅酸盐水泥的凝结时间长、早期强度低等缺点。

4.2 制备3D打印混凝土要求具有很短的凝结时间、很高的早期强度(2h的抗压强度要求在10-20Mpa之间)和终期强度(28d的抗压强度在50-60Mpa之间),且在不同的环境温度下,凝结时间与强度变化范围很大。可以通过调整HQS-B华千素和HQS-C华千素的掺加量或者更换初凝时间更短(比如在15-25min)的快硬硫铝酸盐水泥去调整不同使用环境温度下的凝结时间和强度指标。

4.3 本文给出了一种配制3D打印水泥基材料的解决方案和参考配合比,鉴于基础原材料水泥、砂子千差万别,加之打印标的物、环境温度、使用条件、设计要求等千变万化,本文的研究结果无法给出一种具有广泛适用性的技术资料。使用者,可以以此为参照,并结合当地当时的实际情况,在正式使用前做大量的试配试验是必要的也是必不可少的。

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2018年11月10日 17:14
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