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3D打印水泥基材料的制备与性能研究

薛龙  
【摘要】:3D打印技术作为快速成型技术的一种,是以数学模型作为基础,通过机械设备将打印材料逐层堆积结合起来的工艺。该技术已被应用于不同的行业,其中在建筑行业的应用处于起步阶段。3D打印技术成型工艺相对于传统成型工艺对材料的性能提出更高的要求。目前对用于3D打印技术的水泥基材料性能要求和评价方法尚未有系统研究,因此对3D打印水泥基材料的研究很有必要。3D打印水泥基材料的主要性能包括:可挤出性、可建造性、打印时间、力学性能和耐久性能。本文主要集中于凝结硬化之前的性能研究,所选的材料的分为流变调节组分和凝结硬化调节组分。以温轮胶、羟丙基甲基纤维素醚和乳胶粉作为流变调节组分,研究其对水泥基打印材料的各种性能的影响。并提出对可挤出性能、可堆积性能和层与层之间粘结性能的测试方法,探索了砂浆的坍落度、可塑性、流变性、泌水率与可挤出性能和可建造性的相关性。进而选择促强减缩剂、液体无碱液体速凝剂和硫酸铝溶液为凝结硬化调节组分,研究其对水泥基材料的凝结时间、坍落度、早期强度的影响。结果表明,羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)、温轮胶(WG)能够有效控制水泥砂浆的坍落度。温轮胶、羟丙基甲基纤维素醚和可再分散乳胶粉能够有效减少水泥基材料的泌水现象,并能够增加打印工艺的层与层之间的粘结强度。层与层之间的粘结强度会随着成型间隔时间的增长而减小,水泥初凝前的粘结强度要大于初凝之后的强度,掺加这三种流变调节组分会导致抗压强度的损失。在无泌水情况下,掺加温轮胶的水泥基材料坍落度在70-80mm区间内可堆积性效果最佳,掺量为0.35%粘度为200pa.s的羟丙基甲基纤维素醚挤出堆积效果佳。促强减缩剂可以将砂浆的初凝时间控制在20-200分钟范围内,并能够提高砂浆的早期强度发展。无碱液体速凝剂可以将砂浆的初凝时间控制在3-130分钟范围内,与10.0%促强减缩剂的复掺进一步缩短初凝时间到2-19分钟范围内,并与促强减缩剂的复掺使得强度进一步提高,3小时抗压强度可以达到1.0MPa。硫酸铝溶液可将砂浆的初凝时间控制在11-33分钟内,与10.0%促强减缩剂复掺后的初凝时间在6-22分钟内,同样可以提高早期强度,但对可挤出性能有一定的影响。


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