目前3D打印材料主要分為四種:塑料、金屬、陶瓷、蠟等。這些3D打印材料有很大的成本差異和特定的應用需求。塑料的應用，如消費印刷和幾個行業(yè)，消費產(chǎn)品的制造使用。在高端金屬行業(yè)，如航空航天和國防、汽車、醫(yī)療和牙科等。陶瓷用于家居裝飾；蠟被用于藝術、雕塑和其他領域。在這四種材料中，第一種塑料有機材料最有可能用于建筑3D打印。但如果在光聚合物、ABS、PLA、尼龍等熱塑性材料中加入纖維，這些有機材料在高溫下以熔融狀態(tài)印刷，層層沉積固化，容易發(fā)生氧化、分解等化學反應，在制備和施工過程中會散發(fā)出難聞的有毒氣體，對環(huán)境和人體造成危害；此外，有機材料對打印條件要求高，成本高，機械性能差，用有機材料制作的建筑宜居性差，這在一定程度上限制了建筑3D打印技術的應用。
現(xiàn)有的一般混凝土材料凝結時間較長，通常初凝時間為6-10h，終凝時間為24小時左右，無法滿足3D打印時材料短時間內(nèi)快速凝結的性能要求；而且一般是流體，不能滿足3D打印時的垂直堆疊性能，所以不能作為3D打印材料。本發(fā)明提供了一種適用于建筑3D打印的水泥基復合材料，解決了現(xiàn)有技術中3D打印技術使用的材料多為有機材料的問題。還解決了現(xiàn)有普通水泥基材料凝結時間長、一般為流體、無觸變性、不適合3D打印工藝的技術問題。
建筑用3D打印材料的關鍵技術及力學性能研究
(1)水泥:河北唐山北極熊42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥。
水泥的物理和機械性能
(2)減水劑:聚羧酸鹽PC減水劑。減少拌和用水量，提高材料強度。
(3)細骨料:20-40目和40-70目機制尾礦。在3D打印材料中使用尾礦砂可以有效降低材料成本，減少工業(yè)固體廢棄物對環(huán)境的污染，具有一定的節(jié)能環(huán)保效果。
(4)3D打印材料的關鍵技術是對材料凝結時間和強度的控制，對這兩個指標的精確控制可以保證建筑物3D打印的連續(xù)性和安全性。在這項研究中，可用的添加劑是從各種促進劑和緩凝劑中選擇的。其中早強劑有碳酸鋰(J1)、氫氧化鋰(J2)和硫酸鈉(JBOY3樂隊)。緩凝劑:硼酸(H1)、葡萄糖酸鈉(H2)、酒石酸(H3)、檸檬酸(H4)、四硼酸鈉(H5)和三聚磷酸鈉(H6)。
(5)自制復合音量穩(wěn)定器(VS)。確保材料具有良好的粘結性、較強的穩(wěn)定性、良好的形狀保持性和泵的粘結性能，打印出的建筑具有良好的形狀和體積穩(wěn)定性。復合添加劑包括觸變劑、纖維素醚和纖維。
水泥基3D打印材料凝結時間控制的關鍵技術
快硬硫鋁酸鹽水泥雖然具有早期強度高、微膨脹等優(yōu)點，但由于其水化快，在實際使用過程中往往需要一定的工作時間，尤其是在夏季高溫環(huán)境下，需要使用合適的緩凝劑來控制施工時間。緩凝劑可以吸附在水泥顆粒表面，形成不溶性薄膜，對水泥顆粒的水化起到屏障作用，延緩水泥和漿體結構的快速形成，降低水泥的水化速度，使水泥的快速凝結和強度增長更加平緩，使3D打印材料的凝結時間更加穩(wěn)定，易于控制。
不同緩凝劑對R-SAC凝結時間的影響趨勢為H1>H2>H3>H5>H6，H4會導致R-SAC凝結時間異常。H1的加入大大延長了H1的緩凝效果，不利于控制，在實際使用中存在一定的風險。H2作為普通硅酸鹽水泥的常用緩凝劑時，對R-SAC也起到很好的緩凝作用，可以作為硫鋁酸鹽水泥的合適緩凝劑。H3作為緩凝劑摻入時，摻量為0.05%時有輕微的促凝作用，摻量為0.1% ~ 0.3%時出現(xiàn)緩凝作用，趨勢接近H2。H4也是普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，加入R-SAC后對凝結時間的影響不穩(wěn)定，不適合用作R-SAC緩凝劑。隨著H5摻量的增加，緩凝效果逐漸顯現(xiàn)。隨著摻量從0.1%變?yōu)?.3%，初凝時間從28分鐘延長到109分鐘，終凝時間從49分鐘延長到148分鐘。其緩凝效果比H1更穩(wěn)定，可用作R-SAC的緩凝劑。當H6用作R-SAC的緩速器時，它可能具有加速作用，因此不建議使用H6作為R-SAC的緩速器。
用于3D打印材料凝固時間的復合凝固劑
鋁酸鹽水泥凝結時間的調(diào)整，建議在實際生產(chǎn)和工程應用中，采用速凝劑和緩凝劑復合調(diào)整的原理。實驗表明，速凝劑碳酸鋰和緩凝劑無水硼砂、葡萄糖酸鈉和酒石酸的組合能有效調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥的凝結時間。
本研究通過大量實驗，總結出能有效調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥系列材料在不同環(huán)境溫度下的復合凝結調(diào)節(jié)劑JH。根據(jù)這一規(guī)律，微調(diào)緩凝劑的摻量可以制備出凝結時間10 min ~ 1 h可控的硫鋁酸鹽水泥基建筑3D打印材料。
3D打印材料的制備及力學性能研究
本研究3D打印材料以硫鋁酸鹽水泥和水淬礦渣粉復合膠凝材料為主要基體，添加工業(yè)尾礦機制砂，并添加減水劑、凝結時間復合凝結調(diào)節(jié)劑、復合體積穩(wěn)定劑等化學添加劑來改善材料性能，使其能夠滿足3D打印工藝的技術要求。
本文主要研究3D打印材料的凝固時間控制技術及其對材料力學性能的影響。因此，以三種不同的復合凝固調(diào)節(jié)劑為變化對象，研究3D打印材料凝固時間和抗壓強度的變化規(guī)律。
在三種不同的環(huán)境溫度下，通過調(diào)節(jié)復合促凝劑中促凝劑和緩凝劑的組成，可以在10min-60min內(nèi)靈活控制材料的凝結時間，調(diào)節(jié)范圍廣?？梢詽M足不同季節(jié)、不同環(huán)境下的3D打印項目需求。這種3D打印材料早期強度高，具有快速凝固功能，2小時內(nèi)抗壓強度可達10 ~ 20 MPa。3天后抗壓強度為40 ~ 50 MPa，28天后抗壓強度為60MPa左右，可以滿足3D打印建筑承重墻、柱的強度要求，還可以使打印構件具有良好的力學性能。
該3D打印材料具有原料成本低、對環(huán)境和人體無害、粘接性好、穩(wěn)定性強、泵形保持性和粘接性好的優(yōu)點。打印出的建筑具有良好的形狀和體積穩(wěn)定性，能夠滿足建筑3D打印施工連續(xù)性和建筑強度的要求。打印出的建筑和構件具有短時間內(nèi)移動和組裝的性能，在建筑3D打印中具有廣闊的應用前景，可以極大地推動3D打印技術的應用和普及。
結論
3D打印材料采用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，可以克服普通硅酸鹽水泥基材料凝結時間長、早期強度低等缺點。制備的3D打印材料早期強度高，2h抗壓強度為10-20MPa，28d抗壓強度可達50-60MPa。
在不同的施工溫度下，通過調(diào)整促進劑J1與緩凝劑H2、H3、H5的比例，可以制備出適用于這種建筑3D打印材料的復合促凝劑，材料的凝結時間可以根據(jù)施工要求在20min-60min之間靈活控制。
R-SAC水泥基3D打印材料通過不同功能添加劑的調(diào)節(jié)，其工作性能、形狀穩(wěn)定性和強度能夠滿足建筑3D打印的連續(xù)性和結構的安全性。
該水泥基3D打印材料原料易得，可大量應用工業(yè)廢棄物，成本低廉，制備和施工過程中不釋放有毒氣體，對環(huán)境和人體無害，可促進3D打印技術在建筑中的推廣應用。