无碱速凝剂胶囊的制备及其在3D打印混凝土中的运用方法

技术领域

本发明涉及3D打印材料技术领域，特别涉及无碱速凝剂胶囊的制备及其在3D打印混凝土中的运用方法。

背景技术

随着农村城市化，我国工业化的进程迅速发展，建筑行业对施工效率提出了更高的要求，然而劳动力短缺的现象成为了制约建筑业发展的短板。近年来新兴的3D打印技术是一种增材制造技术，通过将混凝土逐层施工后对建筑结构进行叠加成型，具有施工效率高、制造成本低等优点。

虽然，增材制造在其它行业中已经有着广泛的运用，但是混凝土中的3D打印技术仍处于一个基础的发展阶段。在3D打印混凝土中，最重要的性能为混凝土的可挤出性与可建性，其中可挤出性指的是3D打印的混凝土材料在输送过程中能连续不中断，顺利到达喷嘴并顺利挤出的能力；可建性指的是3D打印材料从喷嘴挤出后，拥有一定承受自重以及下一层3D打印混凝土重量且不变形的能力。

速凝剂是一种能使混凝土快速凝固成型的混凝土外加剂。通常来说，在混凝土中加入速凝剂后，混凝土能够迅速凝固从而提升3D打印混凝土的可建性。但与此同时，凝结时间过快会导致混凝土流动性变差，使得混凝土的可挤出性难以得到保证，因此当混凝土到达3D打印的喷嘴处再加入速凝剂似乎成为了一个解决矛盾的方法。在传统隧道、边坡等喷射混凝土的施工工艺中，速凝剂是在喷嘴前与混凝土一同在高压下迅速喷射到施工面进行施工的，然而在3D打印混凝土中为保证打印成品效果，3D打印机的喷嘴喷出混凝土的速度相对喷射混凝土较慢，直接在喷嘴前加入速凝剂往往会导致速凝剂混合不均匀，令构件各部分凝结速度不一致，导致构件部分抗压强度不统一，从而使得3D打印的构件产生缺陷。

发明内容

针对现有技术不足，本发明解决的技术问题是提供无碱速凝剂胶囊的制备及其在3D打印混凝土中的运用方法，解决现有3D打印混凝土的速凝剂混合不均匀，从而使得3D打印的构件产生缺陷问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是:一种无碱速凝剂胶囊在3D打印混凝土中的运用方法，包括以下步骤：步骤1：在混凝土中加入无碱速凝剂胶囊并搅拌；步骤2：在3D打印机自带的喷嘴处安装可将无碱速凝剂胶囊融化的加热设备。

本方案产生的技术原理是：采用明胶胶囊对无碱速凝剂进行封装成胶囊后加入3D打印混凝土中，控制环境温度，使得在加热前混凝土中的明胶胶囊不会熔化，混凝土能够保持良好的可挤出性，在喷嘴处加装加热装置加热混凝土，使得混凝土中的无碱速凝剂胶囊在3D打印喷嘴前熔化，胶囊中的无碱速凝剂与混凝土接触并使得混凝土迅速凝固成型，在保证了3D打印混凝土可挤出性的同时，也提升了3D打印混凝土的可建性。

本方案产生的有益效果是：1、本技术采用胶囊方式加入无碱速凝剂，在3D打印前胶囊与混凝土进行了预混合，相比一般的速凝剂添加方式，本方法加入无碱速凝剂胶囊不影响3D混凝土的可挤出性。2、相比于在在喷嘴前加入速凝剂的方式，本方法采用无碱速凝剂胶囊，在打印前通过搅拌使无碱速凝剂胶囊与混凝土均匀混合，使得在3D打印挤出混凝土时，在喷嘴处的混凝土受热，使得无碱速凝剂胶囊的胶囊融化，从而释放出无碱速凝剂与混凝土混合；由于无碱速凝剂胶囊在混凝土内均匀分布，因此释放出的速凝剂与在混凝土内均匀混合，采用本方案制备的3D打印构件变形率更低，3D打印的可建性更好。3、本技术涉及的制备与工艺方法简单，与现有市场上现有的3D打印设备相容性较好，在任意商用3D打印设备上进行微小的改造后就能够投入批量化的生产。

进一步，所述步骤1的搅拌速度为45-75rpm，搅拌时长为0.5-2min。再此范围内使得混凝土与无碱速凝剂胶囊混合更均匀。

进一步，所述步骤1中加入的无碱速凝剂胶囊中的速凝剂的含量为混凝土中水泥总量的1.5％-5％。通过加入适量的速凝剂，可使得打印的混凝投入构件凝结时间加快，早期强度增高。

进一步，一种无碱速凝剂胶囊的制备的方法，包括以下步骤：

S1:按质量份计，在反应釜中加入405-415份，并升温至60-70℃进行持续保温；

S2:待S1中水温稳定后，按质量份计算将10-12份络合剂、70-75份醇胺、8-10份氟硅酸镁依次加入到S1中的反应釜中，搅拌25-30min；

S3:在搅拌状态下加入450-500份十八水硫酸铝，搅拌60-90min；

S4:继续在反应釜中加入15-20份的纳米二氧化硅，增加搅拌速度，继续搅拌90-120min；

S5:待S4搅拌完成后，将搅拌速度减速到100-120rpm，随后加入1-2份增稠剂与3-7份稳定剂，继续搅拌25-35min；待搅拌完成后，后关闭加热。

S6:冷却到0-25℃即得所述无碱速凝剂；

S7:将无碱速凝剂填充到空心明胶胶囊中进行封装即得所述无碱速凝剂胶囊。

采用本方法制备的无碱速凝剂胶囊提升了硫酸铝的掺量后，速凝剂能够在更小的掺量下达到提升3D打印可建性的效果，速凝剂掺量更少，引入的胶囊也会随之减少，既降低胶囊的成本，又避免引入过多胶囊影响混凝土的性能；本方案的制备工艺流程短，制备设备易得，生产效率高，包装运输便捷，混合使用与3D打印混凝土构件的初凝时间可控，早期强度高。

进一步，所述络合剂为亚铁氰化钠、亚铁氰化钾其中一种或两种的组合。本方案采用了亚铁氰化钠、亚铁氰化钾作为速凝剂中铝离子的络合剂，能增加有效促凝成分也即是硫酸铝的用量，从而避免加入过多醇胺导致混凝土后期强度等性能降低；保障了混凝土构件的后期强度。

进一步，所述醇胺为二乙醇胺、三乙醇胺、单异丙醇胺与二乙醇单异丙醇胺的其中一种或多种组合。

进一步，所述增稠剂为聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙二醇其中一种或多种的组合。

进一步，所述稳定剂为硅酸镁铝、水和硅酸镁、海泡石、高岭土其中一种或多种组合。优选为硅酸镁铝，优点是在低浓度时能稳定乳化体；在温度升高时，减少乳化体变稀或被破坏的倾向。

进一步，所述S4增加后的搅拌速度为1000-1200rpm。提高转速促进纳米二氧化硅分散，加速材料混合均匀。

进一步，所述空心明胶胶囊的长度为10-15mm，直径为4-6mm。采用该尺寸范围内的明胶胶囊既节省封装的明胶成本，又避免胶囊过大在3D打印时速凝剂与混凝土混合不均，影响混凝土构件强度。

附图说明

图1为3D混凝土打印设备加装远红外加热装置的示意图；

图2为不同实施例3D打印混凝土的变形率对比测试结果。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：红外加热装置1、3D打印喷嘴2。

实施例1：一种无碱速凝剂胶囊的制备的方法，包括以下步骤：S1：在反应釜中加入409份自来水开始搅拌，搅拌速度为120rpm，并升温至60℃进行持续保温；

S2：待S1中水温稳定后，将10份络合剂、70份醇胺、8份氟硅酸镁依次加入到S1中的反应釜中，其中络合剂为亚铁氰化钠，醇胺为二乙醇胺、三乙醇胺、单异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺多种组合，四种醇胺各占醇胺总量的25％，加料完成后搅拌30min；

S3：S2完成后，继续在搅拌状态下15-20min内均匀加入450份十八水硫酸铝，搅拌90min；

S4：待S3中搅拌完成后，继续在反应釜中加入20份的纳米二氧化硅，增加搅拌速度至1000rpm，继续搅拌90min；

S5：待S4搅拌完成后，将搅拌速度减速到120rpm，随后加入1份增稠剂与5份稳定剂，其中增稠剂为聚丙烯酰胺，稳定剂为硅酸镁铝，加料完成后继续搅拌30min；搅拌完成后关闭加热。

S6：将液体冷却到25℃及以下即得所述无碱速凝剂；

S7：使用胶囊封装机将无碱速凝剂填充到空心明胶胶囊中进行封装，其中空心明胶胶囊的长度为10mm，直径为5mm，封装完成后即得所述无碱速凝剂胶囊。

一种无碱速凝剂胶囊在3D打印混凝土中的运用方法，包括以下步骤：

步骤1：按照胶囊中速凝剂实际质量与混凝土中水泥质量的比例计算，在混凝土中加入混凝土中水泥质量2％的无碱速凝剂并搅拌以60rpm搅拌1min后完成混料；

步骤2：在3D打印机自带的喷嘴处安装可将无碱速凝剂胶囊融化的红外加热装置1，红外装置在打印时能将3D打印机喷嘴内的混凝土加热到32℃以上，优选为32-37℃，使混凝土内的无碱速凝剂胶囊的明胶熔化以释放速凝剂；

步骤3：使用内径为10mm的3D打印喷嘴2进行打印，以速度为3500mm/min打印长100mm、宽40mm、高80mm的混凝土构件。

步骤2的红外加热装置1安装于3D打印喷嘴2的上方，通过热辐射、热传导可对3D打印喷嘴进行均匀加热，同时不影响3D打印喷嘴移动。

本实施例使用的混凝土3D打印机为加装有红外加热装置1的NELD-3D736打印机，其中3D打印使用的混凝土的具体配合比如表1所示：

表1实验用混凝土配合比

实施例2：与实施例1的不同之处在于，S4中空心明胶胶囊的长度为15mm，直径为6mm。

实施例3：与实施例1的不同之处在于，S1:在反应釜中加入409份自来水，并升温至60℃进行持续保温并开始搅拌，搅拌速度为120rpm；S3中加入的十八水硫酸铝为500份，S6在冷却是搅拌加速冷却。

实施例4：与实施例1的不同之处在于，实验用混凝土配合比中，无碱速凝剂的掺量为20份。

实施例5：与实施例1的不同之处在于，采用喷射方式将无碱速凝剂在3D打印机的喷嘴前与混凝土一同喷射进行3D打印。

一种无碱速凝剂在3D打印混凝土中的运用方法，包括以下步骤：

步骤1：在NELD-3D736打印机的打印口侧面上加装内径为5mm速凝剂喷头后进行打印，其中混凝土配合比见表1；速凝剂喷头内采用实施例1中S6制得的无碱速凝剂。

步骤2：打印机使用内径为10mm的3D打印喷嘴进以速度为3500mm/min进行打印，调整速凝剂喷射速度以满足表1中的配合比要求后，打印长100mm、宽40mm、高80mm的混凝土构件。

实施例6：为验证本发明的无碱速凝剂的有效性，将商用HQ无碱速凝剂封装入胶囊后进行对比，具体步骤如下：

无碱速凝剂胶囊的制作，包括以下步骤；

S1：使用胶囊封装机将商用HQ无碱速凝剂填充到空心明胶胶囊中进行封装，其中空心明胶胶囊的长度为10mm，直径为5mm，封装完成后即得所述无碱速凝剂胶囊。

无碱速凝剂胶囊在3D打印混凝土中的运用方法，包括以下步骤：

步骤1：按照胶囊中速凝剂实际质量与混凝土中水泥质量的比例计算，在混凝土中加入混凝土中水泥质量2％的无碱速凝剂并搅拌以60rpm搅拌1min后完成混料；

步骤2：在3D打印机自带的喷嘴处安装可将无碱速凝剂胶囊融化的红外加热装置1，红外装置在打印时能将3D打印机喷嘴内的混凝土加热到32℃以上，使混凝土内的无碱速凝剂胶囊的明胶熔化以释放速凝剂；

步骤3：使用内径为10mm的3D打印喷嘴2进行打印，以速度为3500mm/min打印长100mm、宽40mm、高80mm的混凝土构件。

实验验证：

为检验本发明的有效性，特通过以下对比实验进行验证，具体实验方法如下所示：

1、可建性测试：

使用不添加无碱速凝剂胶囊的3D打印混凝土作为空白样进行对比，测量每个实施例与空白样打印得到构件的最大长度L

计算结果如图2所示，对比不加入本发明制备的无碱速凝剂胶囊的空白样，本发明中四个实施例1-4的变形率均较低，实施例5采用加装速凝剂喷头，与混凝土一起喷出打印的混凝土构件形变较大，说明本发明实施例1-4均能起到提升3D打印混凝土可建性的作用。

2、可挤出性测试：

将不同实施例中步骤(8)搅拌均匀的混凝土作为可挤出性测试样品，使用不添加无碱速凝剂的3D打印混凝土作为空白样进行对比，按照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定新拌3D打印混凝土的初始流动度，测试结果如表2所示，对比五组数据可知在加入本发明所制备的无碱速凝剂胶囊后不会对3D打印混凝土的可挤出性造成显著影响。

表2新拌3D打印混凝土的初始流动度测试结果

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。