3D打印风积沙水泥基复合材料制备及性能研究

作     者：冯舵 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：Jay Sanjayan

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：3D打印 风积沙 氯氧镁水泥 流变性能 力学性能 收缩开裂 

摘      要：近年来,建筑业逐渐朝向智能化和自动化的方向快速发展,混凝土3D打印技术作为一种典型的智能建造方式,凭借机电一体化技术,将新拌混凝土材料逐层堆叠成所设计模型,能够大大提高建造效率,节省人力成本,已经成为未来智能建造发展的重要方向。目前的3D打印水泥基材料主要以砂浆为主,所用骨料均为沙子,对于粗骨料的应用还不是很成熟,同时打印材料往往需要较高的胶砂比,因此对于沙子的消耗量远大于传统浇筑材料。以风积沙作为骨料制备3D打印水泥基材料,能够实现固废资源的利用,符合当前建筑行业绿色环保的发展趋势。本文以风积沙替代河沙作为3D打印水泥基材料的骨料,研究内容和结论如下:(1)开展流变测试,分析了掺合料、外加剂对风积沙水泥基材料流变性能的影响,对流变参数的变化趋势和规律进行了量化,并结合打印测试,测试得到了满足可打印性能的流变参数区间:当材料的静态屈服应力为0.8-2.4k Pa,动态屈服应力为0.4-1k Pa,塑性黏度不超过25 Pa·s时,能够满足3D打印技术要求,该参数区间随着打印参数的不同需要进行一定的调整,但可为评价可打印性能提供指导。(2)根据风积沙产地的资源特点,选择氯氧镁水泥为胶凝材料,根据得到的流变参数区间,通过向氯氧镁风积沙复合材料中掺入15%的硅灰、15%的粉煤灰和0.1%的纤维素醚,调节复合材料的流变性能,解决了复合材料泌水和性质不稳定的问题,制备出满足可3D打印的氯氧镁风积沙复合材料,并研究了风积沙掺量对复合材料打印性能和流变性能的影响,将材料的砂胶比提高至3.0,实现了对风积沙资源的最大化利用。(3)开展力学性能测试,研究了砂胶比对氯氧镁风积沙复合材料抗压和抗折强度的影响,得到复合材料在28天的抗压强度可达57 MPa,抗折强度可达12 MPa;通过DIC技术,对复合材料进行了早期收缩测试,结果表明3D打印氯氧镁风积沙复合材料在8个小时内的塑性收缩只有普通硅酸盐水泥材料的23.46%-33.40%,最后对复合材料进行成本分析,计算得到复合材料的成本相比硅酸盐水泥材料可降低30%左右。综上,所制备3D打印氯氧镁风积沙复合材料有良好的力学性能和抗裂性能,并符合绿色建筑材料的要求,有较好的应用前景。