专利摘要

本发明为一种粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料及应用方法，该碱激发材料按重量份数计，其组成和含量分别为：0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末、0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。所述碱激发材料能实现软岩力学特性模拟模型的打印，在步骤(4)打印完以后能在2h以内顺利取出，同时28天抗压强度达到10MPa以上。

权利要求

1.一种粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，其特征在于，该碱激发材料按重量份数计，其组成和含量分别为：

0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末、0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。

2.根据权利要求1所述的碱激发材料，其特征在于，所述粉煤灰的最大粒径不大于0.1mm；高炉矿渣粉的最大粒径不大于0.1mm；所述硅灰的细度为1500-2000目；所述的石英粉的最大粒径不大于0.6mm；所述石灰石粉的最大粒径不大于0.3mm；所述黏土的最大粒径不大于0.1mm；所述的碱激发粉末的最大粒径不大于0.1mm；所述的PVA粉末为300-400目。

3.根据权利要求1所述的碱激发材料，其特征在于，所述黏土为凹凸棒土、高岭土中的至少一种，黏土粒径为纳米级。

4.根据权利要求1所述的碱激发材料，其特征在于，所述的碱激发剂粉末为偏硅酸钠、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末和氢氧化钾粉末中的一种或几种，硅酸钾和硅酸钠的模数为1.5-3.3；所述的冷却液为无水乙醇或异丙醇；所述的PVA粉末为可再分散乳胶粉。

5.根据权利要求1所述的碱激发材料，其特征在于，该碱激发材料用于软岩力学特性模拟中。

6.一种权利要求1-5任一所述碱激发材料的应用方法，进行粉末黏合3D打印，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂；第一组为：0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末；第二组为：0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水；

(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌至混合均匀；

(3)将第二组中0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液溶于0.2～0.4份水中，制备出粘结剂；

(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体；根据岩体物理模型，在对应区域喷射粘结剂；

(5)最后将打印的试件进行后期养护，获得软岩体的三维物理模型。

7.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于，所述步骤(4)中每层铺粉厚度为0.1-0.6mm。

8.根据权利要求7所述的应用方法，其特征在于，所述粉煤灰与高炉矿渣粉的重量比为0.8～1.1；所述高炉矿渣粉的密度为2.8g/cm3，比表面积为350m2/kg，含水率为0.3％，最大粒径为85μm。

9.根据权利要求7所述的应用方法，其特征在于，所述碱激发材料能实现软岩力学特性模拟模型的打印，在步骤(4)打印完以后能在2h以内顺利取出，同时28天抗压强度达到10MPa以上。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程和无机材料领域，具体来说，是涉及一种粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料及应用方法，该碱激发材料用于软岩力学特性模拟。

背景技术

软岩体结构是重大基础设施和能源工程中常见结构，研究软岩体结构灾变机理和破坏特征是确保重大基础设施和能源工程安全的基础。物理模型试验是岩土工程领域主要的研究手段，然而，由于软岩体中同时存在裂隙等不连续体和面，目前国际上尚没有成熟的方法制作软岩体的三维物理模型。

3D打印技术是一种近年来兴起的，包括诸多方面前沿技术知识，具有高科技含量的制造技术，该技术具有极高的灵活性和自动化程度，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域。其中粉末黏合3D打印技术为应用较广的技术之一。该技术是首先铺设粉末，然后向平铺的粉末上喷射粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的三维物体。采用粉末黏合3D打印技术制备软岩体物理模型具有较大潜力，研发可以模拟软岩等力学特性的3D打印材料是制备上述物理模型的基础。中国专利CN104230289A、CN104291720A和CN104744000A各公开了一种使用石膏粉末制备的3D打印材料。然而所制备的石膏材料的强度低并表现出明显的延性，不能模拟岩石材料脆性的特性。

基于上述问题，必须寻求全新的可用于粉末黏合3D打印技术的绿色环保材料。碱激发材料是一种以粉煤灰、高炉矿渣为主要活性原料，以碱或硅酸钠为激发剂组成的双组分绿色胶凝材料。目前碱激发材料并未被大量应用于上述粉末黏合3D打印技术中，主要问题在于，其采用的激发剂的粘度大，不能直接作为粘结剂通过喷头喷射打印，而且粉末黏合3D打印过程中喷出的粘合剂在现有的碱激发粉末中难以均匀分布，导致现有的碱激发材料并不适合用于粉末黏合3D打印。因此，有必要研发一种适用于粉末黏合3D打印技术的碱激发复合材料，用于制作软岩体的物理模型。

发明内容

本发明的首要目的在于：提供一种用于软岩力学特性模拟的粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，用于制作真正意义上的软岩体的物理模型。

本发明的另一个目的在于：提供一种上述碱激发材料进行粉末黏合3D打印的应用方法，将粉末黏合3D打印与碱激发材料的优点完美结合，以制造出与真实软岩石具有相似强度和脆性的三维物理模型。

本发明的目的是通过以下技术方案进行实现：

一种用于软岩力学特性模拟的粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，该碱激发材料按重量份数计，其组成和含量分别为：

0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末、0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。

所述粉煤灰的最大粒径不大于0.1mm；高炉矿渣粉的最大粒径不大于0.1mm；所述硅灰的细度为1500-2000目；所述的石英粉的最大粒径不大于0.6mm；所述石灰石粉的最大粒径不大于0.3mm；所述黏土的最大粒径不大于0.1mm；所述的碱激发粉末的最大粒径不大于0.1mm；所述的PVA粉末为300-400目。

所述黏土可以是凹凸棒土、高岭土等矿物原料中的至少一种，可以是纳米级。

所述的碱激发剂粉末可以是偏硅酸钠、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末和氢氧化钾粉末中的一种或几种，硅酸钾和硅酸钠的模数为1.5-3.3。

所述的冷却液可以是无水乙醇、异丙醇等有机溶剂，能自然挥发、吸热、降低打印温度、保护打印头。

所述的PVA粉末为300-400目，优选可再分散乳胶粉。

使用粉末粘结工艺打印物体时存在以下问题：粉体材料粒径分布不合适，使粉体无法密实的铺设；粘结剂喷射到粉体表面后，渗透性过大或过小，在粉体材料中分布不均匀；地质聚合物复合材料硬化速度过快或过慢，不能适用于粉末黏合3D打印工艺。本发明采用以下手段解决了上述问题：(1)通过设计粉体的配比，优化了粉体材料的粒径分布，实现了粉体材料的密实铺设；(2)使用了特定比例和种类的PVA粉末(可再分散乳胶粉)，改善了粘结剂在粉体表面的渗透性，使其在粉体材料中的渗透性达到了理想的状态，实现了粘结剂的均匀分布；(3)本申请采用的是粉末粘结式打印工艺，首先铺设一层粉煤灰、碱激发剂等粉末，然后喷射粘结剂，使用了粉末形式的碱激发剂，将碱激发剂粉末与其它粉末原料混合均匀然后进行铺设，使用的粘结剂以水为主代替以碱激发剂溶液作为粘结剂，有效解决了粘结剂粘度大的问题。

一种上述碱激发材料进行粉末黏合3D打印的应用方法，即进行粉末黏合3D打印，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂。第一组为：0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末。第二组为：0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。

(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌至混合均匀，约10min；

(3)将第二组中0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液溶于0.2～0.4份水中，制备出粘结剂；

(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。根据岩体物理模型，在对应区域喷射粘结剂。铺粉厚度为0.1-0.6mm。

(5)最后将打印的试件进行后期养护，提高材料的强度。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1)所述的碱激发材料的组成与水泥或石膏不同，包括粉煤灰、工业废渣等硅铝相原料和激发剂两部分。将粉煤灰、石英粉和碱激发剂粉等作为粉料进行铺设，粘结剂以水为主。所发明的粉体材料具有优异的粒径级配分布，碱激发材料的组成及颗粒级配合适，能使粘结剂在碱激发材料上合理的渗透扩散，实现均匀分布，铺设密实，铺粉效果好，适合于粉末黏合3D打印。

2)本申请采用的粘结剂主要为水，粘结剂的粘度和水类似，所设计的粘结剂的粘度小，喷出的粘合剂在碱激发粉末中可以均匀分布，克服了现有技术中大多采用液态碱激发剂作为粘结剂，碱激发剂的粘度大，难以从喷头喷出，若想喷出，必须采用大尺寸喷头，那样打印精度便降低很多；其次，碱激发剂的碱度大，会腐蚀喷头并污染工作环境，散发在空气中的碱液对人体也会造成伤害的问题。

3)本申请所制备的试件脆性与岩石相似，可较好地模拟岩石的力学特性，其极限应变为0.2％左右，更接近岩石材料，克服了现有石膏材料的抗压强度仅有1MPa左右，抗压峰值应变高达1％的强度低具有明显延性的不足。

具体实施方式

下面结合实施例进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种用于软岩力学特性模拟的粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，按重量份数计，其组成为：

0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末、0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。

所述粉煤灰的烧失量为8.2％，含水率为0.08％，细度为45μm方孔筛筛余26.5％，最大粒径为0.1mm。高炉矿渣粉的最大粒径为0.1mm。

所述硅灰的密度为2.8g/cm3，比表面积为350m2/kg，细度为1500-2000目。

所述的PVA粉末为300-400目，密度为1.19～1.31g/cm3。

所述石英粉平均粒径为350μm，最大粒径为0.6mm。

所述石灰石粉的最大粒径为0.3mm。

所述的碱激发剂粉末可以是偏硅酸钠、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末和氢氧化钾粉末中的一种或几种，硅酸钾和硅酸钠的模数为1.5-3.3，密度为2.6g/cm3，最大粒径为0.1mm。

所述黏土可以是凹凸棒土、高岭土中的一种，其最大粒径为0.1mm。

所述的冷却液可以是无水乙醇、异丙醇和丙三醇中的一种。

所述高炉矿渣粉的密度为2.8g/cm3，比表面积为350m2/kg，含水率为0.3％，最大粒径为85μm。能增强激发材料的强度。

一种应用所述碱激发材料进行粉末黏合3D打印的方法，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂。第一组为：0.6～1.3份粉煤灰、0.6～1.3份高炉矿渣粉、0.05～0.15份硅灰、0.4～0.6份石英粉、0.1～0.2份石灰石粉、0.005～0.02份黏土、0.05～0.2份碱激发剂粉末、0.01～0.05份PVA粉末。第二组为：0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液、0.2～0.4份水。

(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌10min；

(3)将第二组中0.002～0.005份甘油、0.002～0.005份冷却液溶于0.2～0.4份水中，制备出粘结剂；

(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。根据岩体物理模型，在对应区域喷射粘结剂。铺粉厚度为0.1-0.6mm。

(5)最后将打印的试件进行后期养护处理，提高材料的强度。

实施例1

本实施例用于软岩力学特性模拟的粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，按重量份数计，其组成为：

1.0份粉煤灰、1.0份高炉矿渣粉、0.05份硅灰、0.5份石英粉、0.15份石灰石粉、0.01份黏土、0.15份碱激发剂粉末、0.03份PVA粉末、0.003份甘油、0.003份冷却液、0.3份水。

所述粉煤灰的烧失量为8.2％，含水率为0.08％，细度为45μm方孔筛筛余26.5％，最大粒径为0.1mm。

所述的碱激发剂为无水偏硅酸钠粉末。

所述的PVA粉末为300-400目，密度为1.19～1.31g/cm3。

所述石英粉平均粒径为350μm，最大粒径为0.6mm，比表面积0.155m2/g。

一种应用所述碱激发材料进行粉末黏合3D打印的方法，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂。第一组为：1.0份粉煤灰、1.0份高炉矿渣粉、0.05份硅灰、0.5份石英粉、0.15份石灰石粉、0.01份黏土、0.15份无水偏硅酸钠粉末、0.03份PVA粉末。第二组为：0.003份甘油、0.003份冷却液、0.3份水。

(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌10min；

(3)将第二组中0.003份甘油、0.003份冷却液溶于0.3份水中，制备出粘结剂；

(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。根据岩体物理模型，在对应区域喷射粘结剂。铺粉厚度为0.3mm。

(5)最后将打印的试件进行60℃高温养护箱内养护。

使用本实施例进行打印，得到打印结构体。打印过程进行顺利，而且所打印结构的整体性较好、稳定性较好。3天和28天抗压强度分别为10.2MPa和18MPa。该材料适用于模拟软岩的力学特性。

对比例1～3，打印结构体的材料比例及制备过程同实施例1，不同之处仅在于改变PVA粉末的含量，具体实验结果见下表。

对比例4～6，打印结构体的材料比例及制备过程同实施例1，不同之处仅在于改变碱激发剂粉末的含量，具体实验结果见下表。

实施例2

本发明用于软岩力学特性模拟的粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料，按重量份数计，其组成为：

0.8份粉煤灰、1.0份高炉矿渣粉、0.07份硅灰、0.6份石英粉、0.10份石灰石粉、0.005份黏土、0.12份碱激发剂粉末、0.02份PVA粉末、0.002份甘油、0.004份冷却液、0.35份水。

所述粉煤灰的烧失量为8.2％，含水率为0.08％，细度为45μm方孔筛筛余26.5％，最大粒径为0.1mm。

所述高炉矿渣粉的密度为2.8g/cm3，比表面积为350m2/kg，含水率为0.3％，最大粒径为85μm。

所述的碱激发剂粉末为0.07份硅酸钠粉末和0.05氢氧化钠粉末，硅酸钠粉末模数为2.0。

所述的PVA粉末为300-400目，密度为1.19～1.31g/cm3。

所述石英粉平均粒径为350μm，最大粒径为0.6mm，比表面积0.155m2/g。

一种应用所述碱激发材料进行粉末黏合3D打印的方法，该方法包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将上述原料分成两组，第一组为粉体材料，另一组为粘结剂。第一组为0.8份粉煤灰、1.0份高炉矿渣粉、0.07份硅灰、0.6份石英粉、0.10份石灰石粉、0.005份黏土、0.07份硅酸钠粉末、0.05份氢氧化钠粉末、0.02份PVA粉末。第二组为：0.002份甘油、0.004份冷却液、0.35份水。

(2)将第一组粉体材料同时送入搅拌机进行混合搅拌10min；

(3)将第二组中0.002份甘油、0.004份冷却液溶于0.35份水中，制备出粘结剂；

(4)首先铺设第一组粉体材料，向平铺的粉末上喷射第二组粘结剂使粉末粘结硬化，重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。根据岩体物理模型，在对应区域喷射粘结剂。铺粉厚度为0.3mm。

(5)最后将打印的试件浸入20％氢氧化钠中，然后进行60℃高温养护箱内养护。

使用本实施例进行打印，得到打印结构体。打印过程进行顺利，而且所打印结构的整体性较好、稳定性较好。3天和28天抗压强度分别为11MPa和28MPa。该材料适用于模拟软岩的力学特性。

对比例7～9，打印结构体的材料比例及制备过程同实施例2，不同之处仅在于改变冷却液的含量，具体实验结果见下表。

本发明激发材料能实现软岩力学特性模拟模型的打印，满足以下两点，1.打印完以后可以短时间(2h以内，甚至刚打完即可打印)顺利取出，2.28天抗压强度达到10MPa以上。

本发明未述及之处适用于现有技术。

一种粉末粘结3D打印类软岩碱激发材料及应用方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。