一种3D打印混凝土免拆模板及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种3D打印混凝土免拆模板及其制备方法。

背景技术

在现浇混凝土结构中，模板一般占工程造价的20％～30％，占工程用工量的30％～40％，占工期的50％左右；为此，采用先进的免拆模板技术，对于提高工程质量，加快施工进度，降低工程成本都具有十分重要的意义。

目前，用于建筑结构的免拆模板材料主要包括压型钢、有机聚合物(如纤维增强树脂、泡沫塑料等)和预制混凝土(如钢丝网混凝土薄板、高延性水泥基复合材料、织物增强混凝土、玻璃纤维增强混凝土、带肋纤维混凝土、超高性能混凝土等)三类。免拆模板不仅可以作为结构参与承重，而且还兼具保温、隔热和耐久性防护等诸多优异功能。

现有免拆模板材料仍存在外形设计自由度低、成本高，与内部混凝土结构界面粘结力弱、不安全耐火和装饰艺术效果不佳等问题，大大限制了该项技术的推广和应用，因此，本发明提出一种3D打印混凝土免拆模板及其制备方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种3D打印混凝土免拆模板及其制备方法，该3D打印混凝土免拆模板及其制备方法采用3D打印技术制备混凝土免拆模板，模板外形设计自由度大大提高，其表面具有高低起伏的打印纹理，可以增强与内部现浇混凝土结构的机械啮合作用，扩大接触面积，使界面粘结强度大幅提升，装饰性更强，且3D打印混凝土免拆模板既可以在工厂预制，也可以到现场原位打印，建造灵活度更高；

将轻质、高粘弹性的橡胶集料掺入3D打印混凝土免拆模板，可以大幅提升免拆模板的保温性能、抗冲击韧性、抗渗性和抗冻性能。实现3D打印混凝土免拆模板的结构、功能、装饰一体化；

橡胶集料和纤维对3D打印混凝土免拆模板进行协同增韧增强，橡胶集料减小免拆模板内部收缩应力，纤维阻止裂纹发生和开展，二者共同作用降低免拆模板早龄期的塑性收缩和后期的干燥收缩开裂风险

为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种3D打印混凝土免拆模板，包括由水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂、减水剂、纤维和水混合后经3D打印制成，其混合质量配比为水泥900～1000kg/m

进一步改进在于：所述橡胶集料是由废弃橡胶轮胎经破碎和改性制得的橡胶微粒，其粒径为30～90目；其中橡胶轮胎破碎后的改性方法包含预先吸水改性、高温加热改性和水泥浆体包裹改性中的一种。

进一步改进在于：所述预先吸水改性具体为先将破碎后的橡胶放入自来水中充分搅拌混合18～32h，然后进行过滤分离，最后使用湿毛巾擦干直至破碎吸水的橡胶表面呈干状态即可，让橡胶集料表面的裂隙和孔洞充分饱水；

所述高温加热改性具体为将破碎后的橡胶放入高温烘箱中于100～150℃温度下加热5～10h，然后自然冷却至室温，让橡胶集料表面的裂隙在热熔状态下闭合，同时让小微粒和有机杂质从集料表面分离，改善集料球形度和表面平整度；

所述水泥浆体包裹改性具体为先按照水胶比为0.30-0.35的比例制备得到水泥浆，然后按照质量比为0.8～1.0的比例将水泥浆与破碎橡胶均匀拌合，随后进行标准养护1d，让橡胶集料表面的裂隙和孔洞充分吸收水泥浆体。

进一步改进在于：所述水泥选用P·O42.5及以上强度标号的硅酸盐水泥；细沙选用粒径为30～90目的磨细石英砂和石灰石机制砂中的一种；所述超细黏土为膨润土、蒙脱土、凹凸棒土和高岭土中的一种，其粒径为100nm～10μm之间，微观形貌呈层片状或纤维状。

进一步改进在于：所述保水剂为多糖类羟丙基甲基纤维素醚、淀粉醚和瓜尔胶保水剂中的一种，其0.5％的水溶液粘度在1～10mPa·s之间；所述减水剂为粉末状的聚羧酸减水剂，其减水率≥25％；所述纤维为聚丙烯纤维和聚乙烯纤维中的一种，其纤维长度为3～12mm。

一种3D打印混凝土免拆模板制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原料处理，将废弃轮胎清洗后破碎并进行改性处理后得到橡胶集料备用；

步骤二、浆体的配制，将水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂、减水剂、纤维和水加入砂浆搅拌机中进行混合搅拌，得到均匀分散的浆体；

步骤三、3D打印模板生胚体，将搅拌好的浆体装入混凝土3D打印机中，然后导入模板的数字模型，并调整打印机参数，经打印制备得到3D打印混凝土免拆模板生胚体；

步骤四、生胚体养护处理，将打印好的混凝土免拆模板生胚体进行养护至固定龄期，即得到3D打印混凝土免拆模板。

进一步改进在于：所述步骤二中混合具体操作为先将水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂和减水剂按质量配比放入砂浆搅拌机中搅拌2～5min，随后加入水继续搅拌2～5min，最后加入纤维并继续搅拌2～5min。

进一步改进在于：所述步骤三中打印机参数为打印速度20～30mm/s。打印层高度为5～15mm，打印喷头直径为10～30mm。

进一步改进在于：所述步骤四中养护具体为将打印好的混凝土免拆模板生胚体用保鲜膜覆盖养护12～24h，凝固后移入18～22℃且≥95RH％的标准养护室进行养护处理至固定龄期。

本发明的有益效果为：本发明采用3D打印技术制备混凝土免拆模板，模板外形设计自由度大大提高，其表面具有高低起伏的打印纹理，可以增强与内部现浇混凝土结构的机械啮合作用，扩大接触面积，使界面粘结强度大幅提升，装饰性更强，且3D打印混凝土免拆模板既可以在工厂预制，也可以到现场原位打印，建造灵活度更高；

通过橡胶集料和纤维对3D打印混凝土免拆模板进行协同增韧增强，橡胶集料减小免拆模板内部收缩应力，纤维阻止裂纹发生和开展，二者共同作用降低免拆模板早龄期的塑性收缩和后期的干燥收缩开裂风险。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例2中3D打印混凝土免拆模板外观图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种3D打印混凝土免拆模板，包括由水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂、减水剂、纤维和水混合后经3D打印制成，其混合质量配比为水泥900～1000kg/m

橡胶集料是由废弃橡胶轮胎经破碎和改性制得的橡胶微粒，其粒径为30～90目；其中橡胶轮胎破碎后的改性方法包含预先吸水改性、高温加热改性和水泥浆体包裹改性中的一种。

预先吸水改性具体为先将破碎后的橡胶放入自来水中充分搅拌混合18～32h，然后进行过滤分离，最后使用湿毛巾擦干直至破碎吸水的橡胶表面呈干状态即可，让橡胶集料表面的裂隙和孔洞充分饱水；

高温加热改性具体为将破碎后的橡胶放入高温烘箱中于100～150℃温度下加热5～10h，然后自然冷却至室温，让橡胶集料表面的裂隙在热熔状态下闭合，同时让小微粒和有机杂质从集料表面分离，改善集料球形度和表面平整度；

水泥浆体包裹改性具体为先按照水胶比为0.30-0.35的比例制备得到水泥浆，然后按照质量比为0.8～1.0的比例将水泥浆与破碎橡胶均匀拌合，随后进行标准养护1d，让橡胶集料表面的裂隙和孔洞充分吸收水泥浆体。

将轻质、高粘弹性的橡胶集料掺入3D打印混凝土免拆模板，可以大幅提升免拆模板的保温性能、抗冲击韧性、抗渗性和抗冻性能，实现3D打印混凝土免拆模板的结构—功能—装饰一体化。

对橡胶集料进行预吸水、表面裹浆或高温热改性，减少橡胶集料的吸水和吸浆效应，提升3D打印橡胶集料混凝土的打印工作性和整体力学强度。

水泥选用P·O42.5及以上强度标号的硅酸盐水泥；细沙选用粒径为30～90目的磨细石英砂和石灰石机制砂中的一种；超细黏土为膨润土、蒙脱土、凹凸棒土和高岭土中的一种，其粒径为100nm～10μm之间。

保水剂为多糖类羟丙基甲基纤维素醚、淀粉醚和瓜尔胶保水剂中的一种，其0.5％的水溶液粘度在1～10mPa·s之间；减水剂为粉末状的聚羧酸减水剂，其减水率≥25％；纤维为聚丙烯纤维和聚乙烯纤维中的一种，其纤维长度为3～12mm。

橡胶集料和纤维对3D打印混凝土免拆模板进行协同增韧增强，橡胶集料减小免拆模板内部收缩应力，纤维阻止裂纹发生和开展，二者共同作用降低免拆模板早龄期的塑性收缩和后期的干燥收缩开裂风险。

实施例2

根据图1和图2所示，本实施例提供了一种3D打印混凝土免拆模板制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原料处理，将废弃轮胎清洗后破碎并进行改性处理后得到橡胶集料备用；

步骤二、浆体的配制，先将水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂和减水剂按质量配比放入砂浆搅拌机中搅拌5min，随后加入水继续搅拌2min，最后加入纤维并继续搅拌2min，得到均匀分散的浆体；

步骤三、3D打印模板生胚体，将搅拌好的浆体装入混凝土3D打印机中，然后导入模板的数字模型，并调整打印机参数，印机参数为打印速度20mm/s。打印层高度为10mm，打印喷头直径为30mm，经打印制备得到3D打印混凝土免拆模板生胚体；

步骤四、生胚体养护处理，将打印好的混凝土免拆模板生胚体进行养护至固定龄期，即得到3D打印混凝土免拆模板；

养护时将打印好的混凝土免拆模板生胚体用保鲜膜覆盖养护12h，凝固后移入18～22℃且≥95RH％的标准养护室进行养护处理至28d龄期。

本实施例的3D打印混凝土免拆模板中水泥970kg/m

橡胶集料是废弃橡胶轮胎经破碎得到的橡胶微粒，粒径为50目。将原状橡胶集料放入自来水中充分搅拌混合24h，然后过滤分离用湿毛巾擦至饱和面干状态备用。

水泥是P·O42.5及以上强度标号的普通硅酸盐水泥，细砂是粒径为30～90目的磨细石英砂；超细黏土为纳米黏土，微观形貌呈层片状。保水剂是羟丙基甲基纤维素醚，粘度在5mPa·s(0.5％水溶液)；减水剂是聚羧酸减水剂，粉末状，减水率不小于25％；纤维是聚丙烯纤维，纤维长度6mm。

将养护28d的打印样品切割成40mm×40mm×160mm试块，依据标准对试块的抗压、抗折强度进行测试；通过劈裂抗拉强度方法对试块的层间粘结强度进行测试；对试块的抗冻和抗氯离子渗透性能进行测试，抗氯离子渗透试块采用钻芯取样，试块尺寸Φ100mm×50mm。

经测试，本实施例中的3D打印混凝土免拆模板抗压强度为34.82MPa，抗折强度为8.67MPa，层间粘结强度为3.16MPa，抗冻融循环次数475次，抗氯离子渗透系数5.59×10

本实施例中获得的3D打印混凝土免拆模板，外观具有独特的高低起伏的打印纹理，同时可以设计不同形状外形(如说明书附图2所示)，具有良好的装饰效果。力学强度测试结果表明，3D打印混凝土免拆模板的抗压、抗折和层间粘结强度都较高，具有一定的结构承重能力。耐久性测试结果表明，3D打印混凝土免拆模板的抗冻融和抗渗透性能十分优异，可以对内部现浇混凝土结构起到良好的耐久性防护功能。

实施例3

根据图1所示，本实施例提供了一种3D打印混凝土免拆模板制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原料处理，将废弃轮胎清洗后破碎并进行改性处理后得到橡胶集料备用；

步骤二、浆体的配制，先将水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂和减水剂按质量配比放入砂浆搅拌机中搅拌5min，随后加入水继续搅拌2min，最后加入纤维并继续搅拌2min，得到均匀分散的浆体；

步骤三、3D打印模板生胚体，将搅拌好的浆体装入混凝土3D打印机中，然后导入模板的数字模型，并调整打印机参数，印机参数为打印速度20mm/s。打印层高度为10mm，打印喷头直径为30mm，经打印制备得到3D打印混凝土免拆模板生胚体；

步骤四、生胚体养护处理，将打印好的混凝土免拆模板生胚体进行养护至固定龄期，即得到3D打印混凝土免拆模板；

养护时将打印好的混凝土免拆模板生胚体用保鲜膜覆盖养护12h，凝固后移入18～22℃且≥95RH％的标准养护室进行养护处理至28d龄期。

本实施例的3D打印混凝土免拆模板中水泥970kg/m3、水330kg/m3、超细黏土30kg/m

橡胶集料是废弃橡胶轮胎经破碎得到的橡胶微粒，粒径为50目。将原状橡胶集料放入高温烘箱中于120℃下加热8h，然后自然冷却到室温备用。

水泥是P·O42.5及以上强度标号的普通硅酸盐水泥，细砂是粒径为30～90目的磨细石英砂；超细黏土为纳米黏土，微观形貌呈层片状。保水剂是羟丙基甲基纤维素醚，粘度在5mPa·s(0.5％水溶液)；减水剂是聚羧酸减水剂，粉末状，减水率不小于25％；纤维是聚丙烯纤维，纤维长度6mm。

将养护28d的打印样品切割成40mm×40mm×160mm试块，依据标准对试块的抗压、抗折强度进行测试；通过劈裂抗拉强度方法对试块的层间粘结强度进行测试；对试块的抗冻和抗氯离子渗透性能进行测试，抗氯离子渗透试块采用钻芯取样，试块尺寸Φ100mm×50mm。

经测试，本实施例中的3D打印混凝土免拆模板抗压强度为37.08MPa，抗折强度为8.47MPa，层间粘结强度为2.46MPa，抗冻融循环次数600次，抗氯离子渗透系数8.22×10

实施例4

根据图1所示，本实施例提供了一种3D打印混凝土免拆模板制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原料处理，将废弃轮胎清洗后破碎并进行改性处理后得到橡胶集料备用；

步骤二、浆体的配制，先将水泥、超细黏土、橡胶集料、细沙、保水剂和减水剂按质量配比放入砂浆搅拌机中搅拌5min，随后加入水继续搅拌2min，最后加入纤维并继续搅拌2min，得到均匀分散的浆体；

步骤三、3D打印模板生胚体，将搅拌好的浆体装入混凝土3D打印机中，然后导入模板的数字模型，并调整打印机参数，印机参数为打印速度20mm/s。打印层高度为10mm，打印喷头直径为30mm，经打印制备得到3D打印混凝土免拆模板生胚体；

步骤四、生胚体养护处理，将打印好的混凝土免拆模板生胚体进行养护至固定龄期，即得到3D打印混凝土免拆模板；

养护时将打印好的混凝土免拆模板生胚体用保鲜膜覆盖养护12h，凝固后移入18～22℃且≥95RH％的标准养护室进行养护处理至28d龄期。

本实施例的3D打印混凝土免拆模板中水泥970kg/m

橡胶集料是废弃橡胶轮胎经破碎得到的橡胶微粒，粒径为50目。将原状橡胶集料与水泥浆均匀拌合，水泥浆水胶比为0.33，水泥浆与橡胶集料的质量比为0.8，标准养护1d后备用。

水泥是P·O42.5及以上强度标号的普通硅酸盐水泥，细砂是粒径为30～90目的磨细石英砂；超细黏土为纳米黏土，微观形貌呈层片状。保水剂是羟丙基甲基纤维素醚，粘度在5mPa·s(0.5％水溶液)；减水剂是聚羧酸减水剂，粉末状，减水率不小于25％；纤维是聚丙烯纤维，纤维长度6mm。

将养护28d的打印样品切割成40mm×40mm×160mm试块，依据标准对试块的抗压、抗折强度进行测试；通过劈裂抗拉强度方法对试块的层间粘结强度进行测试；对试块的抗冻和抗氯离子渗透性能进行测试，抗氯离子渗透试块采用钻芯取样，试块尺寸Φ100mm×50mm

经测试，本实施例中的3D打印混凝土免拆模板抗压强度为39.11MPa，抗折强度为10.62MPa，层间粘结强度为2.14MPa，抗冻融循环次数525次，抗氯离子渗透系数4.4×10

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。