[发明专利]一种表面改性碳纤维增强高阻抗高抗拉强度水泥基3D打印基材及其制备方法

说明书

一种表面改性碳纤维增强高阻抗高抗拉强度水泥基3D打印基材及其制备方法，属于建筑材料技术领域。所述的水泥基3D打印基材按照质量份数包括表面改性碳纤维10~70份、水泥500~1500份、细骨料0~2000份、矿物掺合料50~500份和化学外加剂10~50份。所述的方法具体步骤如下：纳米二氧化硅改性剂的制备；碳纤维的表面改性；3D打印基材。本发明的优点是：本发明对碳纤维进行表面生长SiO₂的改性处理，使碳纤维表面具有一层自身无活性，但可与水泥反应的高火山灰水化活性的纳米SiO₂，与界面区的水泥水化产物Ca(OH)₂发生二次水化，生成水化硅酸钙凝胶C‑S‑H改善界面薄弱区域，进一步提高碳纤维与水泥基体的协同性和界面粘结强度，充分发挥材料的性能优势，抗拉强度为30MPa以上。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种表面改性碳纤维增强高阻抗高抗拉强度水泥基3D打印基材及其制备方法。

背景技术

3D 打印作为一种增材制造技术，具有节材、高效和适用于复杂个性化制造等优势，在国民经济的各个领域发展迅速，得到了越来越多的重视和应用，成为国家战略层面重点发展的科技之一。近年来，3D打印技术在建筑领域也得到了众多关注和发展。与传统建筑相比，3D打印的优势有节省材料、低碳、绿色环保；并且3D打印建造技术不需要模板，可以提高工业化建造水平，提高生产效率；3D打印建造技术可以快速建造出传统方法难以实现的复杂曲面形状的构件和制品、装饰立面等。3D打印建造技术未来在快速建造临时性结构、快速修复修补、复杂形状构件和装饰性制品建造和生产方面具有广泛应用前景。

3D打印建造技术的基础是要有合适的水泥基打印基材。考虑到3D打印建造技术的无模板特点，目前已见报导的水泥基3D打印基材主要是关注并解决了凝结时间、触变性等问题，但其是否能大规模应用或大尺寸应用的基础，也就是超早强和抗拉强度方面还需要进一步发展。3D打印建造技术得以发挥的一个条件应是无配筋或少配筋，而这需要水泥基打印基材具有较高的抗拉强度才能满足无配筋或少配筋的要求，掺加高模量纤维是一种提高水泥基材料抗拉强度的方法。目前常见的高模量纤维有钢纤维和碳纤维。根据公开报导，钢纤维可有效提高水泥基材料的抗拉强度，但钢纤维刚度较大，对于小、薄截面构件的3D打印并不适用。碳纤维是一种高模量高强度的柔性纤维，适合于3D打印水泥基材料，可使水泥基打印材料获得较高的抗拉强度和触变维型特性。但碳纤维界面强度较弱使其增强作用不能充分发挥，同时其作为一种导电性良好的材料，较低掺量即可显著降低水泥基复合材料的电阻，据公开报导，0.25%体积掺量的碳纤维即可以使水泥基复合材料的电阻率降到100欧姆厘米以下。对于很多需要维持高阻抗，防止漏电危险的结构就限制了碳纤维增强水泥基打印基材的应用。因此，高性能普适性的水泥基3D打印基材应具有高抗拉强度和高阻抗，并且不漏电、具有良好触变性，但目前的材料不具备以上的所有特征。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水泥基3D打印基材抗拉强度低、阻抗低、易漏电的问题，提供一种表面改性碳纤维增强高阻抗高抗拉强度水泥基3D打印基材及其制备方法，该3D打印基材是一种干粉预混料，使用中加水拌匀后打印。原料中所用到的表面改性碳纤维是在普通碳纤维的基础上，表面生长有不超过1000nm的具有水化反应活性的纳米SiO₂层，可以与硅酸盐水泥基体进行可控程度的反应，提高碳纤维与水泥基体之间的界面粘结强度，从而大幅提高水泥基材料抗拉强度的同时，还起到了防止碳纤维导电内核直接接触的分隔作用，使碳纤维在较高掺量下也难以形成导电通路，在得到高抗拉强度的同时还保持高阻抗，具有良好触变性，可用于3D打印建造技术的基材，建造免配筋高阻抗高抗弯承载力构件、制品和结构，提高3D打印制品的安全性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种表面改性碳纤维增强高阻抗高抗拉强度水泥基3D打印基材，所述的水泥基3D打印基材按照质量份数包括表面改性碳纤维10~70份、水泥500~1500份、细骨料0~2000份、矿物掺合料50~500份和化学外加剂10~50份。