摘 要

3D打印技术是建筑和建筑材料领域的研究热点，其优势在于：打印速度快、无需模具、绿色环保。目前建筑领域大多使用混凝土作为打印材料，并不能满足粉末打印过程中材料需快速凝结的性能要求。本文通过配制复配硫铝酸盐水泥，研究其物理改性、化学调凝等关键物性参数和温度、用水量等外界参数对凝结时间的影响。采用水化微量热仪、X-射线衍射仪、扫描电镜和荧光光谱仪对复配硫铝酸盐水泥的水化产物进行了表征。

研究结果表明：（1）四种外加促凝剂的加入都在不同程度上都促进复配硫铝酸盐水泥的凝结速度，而促凝效果排序为碳酸锂、硫酸钠、氯化钙、甲酸钙；（2）探究了三种不同复合外加剂体系对复配硫铝酸盐水泥凝结时间的影响，发现三种体系都有很好的促凝效果，且促凝效果排序为碳酸锂-硫酸钠、碳酸锂-氯化钙、碳酸锂-甲酸钙。

关键词：3D打印；硫铝酸盐水泥；外加剂；凝结时间

Abstract

3D printing technology is the hot spot in the research field of the building and building materials. It has the advantages of high printing speed, mold free,and environmental protection . The existing concrete material’s setting time is long, which can not meet the requirement of the material quickly condense in a short time during the process of 3D printing. In this research, experiments, carried out by using compound sulphoaluminate cement, research the influence of key physical parameters such as physical modification and chemical coagulation, as well as external parameters such as temperature and water consumption on setting time. Besides, the hydration production of compound sulphoaluminate cement were investigated by X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscope (SEM), hydrated micro calorimeter and fluorescence spectrometer.

The results show that: (1) all four setting accelerator promote the condensation rate of sulphoaluminate cement in different degree. The accelerate order is lithium carbonate, sodium sulfate, calcium chloride, calcium formate; (2) exploring the influence of three different compound accelerator system on setting time of sulphoaluminate cement, found that those three systems had well procoagulant effect, and the accelerate order is Li₂CO₃-Na₂SO₄、Li₂CO₃-CaCl₂、Li₂CO₃-Ca(HCOO)₂.

Key Words：3D printing；sulphoaluminate cement；admixture；setting time

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 3D打印技术简介 1

1.1.2 建筑3D打印研究现状 1

1.2 硫铝酸盐水泥概述 2

1.2.1 硫铝酸盐水泥特性 2

1.2.2 硫铝酸盐水泥水化机理 2

1.2.3 硫铝酸盐水泥的快速固化现状 3

1.3 研究目的与意义 4

1.4 研究内容与技术路线 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 技术路线 4

第2章 试验原材料、设备及试验方法 6

2.1 试验原材料 6

2.1.1 胶凝材料 6

2.1.2 石英砂细骨料 6

2.1.3 功能外加剂 6

2.1.4 其他材料 6

2.2 试验方法 7

2.2.1 水泥净浆凝结时间测定 7

2.2.2 X荧光光谱分析 7

2.2.3 水化热 7

2.2.4 X-射线衍射分析 7

2.2.5 扫描电镜 7

第3章 单掺外加剂对复合水泥固化时间调控 8

3.1 复配硫铝酸盐水泥体系 8

3.1.1 基本用水量的确定 8

3.1.2 复配SAC各组分的确定 8

3.2 单一外加剂对复配硫铝酸盐水泥影响 10

3.2.1 不同外加剂对复配SAC凝结时间的影响 10

3.2.2 水化性能测试 10

3.2.3 微观分析 11

第4章 复掺外加剂对复合水泥固化时间调控 14

4.1 温度对复配硫铝酸盐水泥的影响 14

4.1.1 不同温度下复配SAC的凝结时间 14

4.2 复合外加剂对复配硫铝酸盐水泥的影响 15

4.2.1 复合外加剂对复配SAC凝结时间的影响 15

4.2.2 水化产物及微观分析 20

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 3D打印技术简介

3D打印技术作为21世纪信息技术方面的重要研究成果，广泛应用于各个研究领域，它借助CAD等软件数字建模，通过逐层增加材料的打印方式构造物体，因此又被称为“添加制造”技术。

3D打印技术在20世纪80年代得到实现与发展，由于技术和成本的影响，当时并没有取得实质性进展。经过30多年的发展3D打印技术逐渐成熟，层出不穷的打印方式正在兴起。目前3D打印作为“第三次工业革命的重要生产工具”^[1]，它涵盖了产品生产前期的“快速成型”和全生产周期的“快速制造”等相关打印技术和应用，正成为一种迅猛发展的新兴技术，广泛应用到各个研究领域。如：在航天航空领域，3D打印技术能够帮助人们实现精细制造，直接制造形状复杂且尺寸较小的零部件；生物医疗领域使用3D打印技术制作人体组织器官模型，以协助复杂的手术方案；个性化领域利用3D打印技术可快速制造艺术创意产品；除此之外，3D打印技术还在电子信息领域、建筑领域、高校教学领域、汽车制造领域具有广泛应用^[2]。

1.1.2 建筑3D打印研究现状

3D打印技术同样也是建筑和建筑材料领域的研究热点。3D打印建筑技术与传统建筑相比，其优势在于：打印效率高，无需模具，可以大幅节约成本；容易打印出其他方式很难建造的曲线建筑；具有低碳、绿色、环保的特点。

将3D打印技术应用于建筑行业，由于其低成本、高效率的优势，所以对材料性能的要求也比较高。目前3D打印建筑领域应用的材料较为单一，结合国内外研究发现^[3-5]，荷兰首先将塑料和树脂类材料应用于3D打印机上；美国通过一定的技术处理成功的将投树脂砂浆类、粘土类和混凝土类等材料打印成3D制品。我国最典型的应用是在上海，利用建筑废料，通过一系列技术加工将其做成“油墨”，成功打印了室内样品房。