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，消費產品的制造使用。在高端金屬行業，如航空航天和國防、汽車、醫療和牙科等。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印刷，層層沉積固化，容易發生氧化、分解等化學反應，在制備和施工過程中會散發出難聞的有毒氣體，對環境和人體造成危害；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，減少工業固體廢棄物對環境的污染，具有一定的節能環保效果。
(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)自制復合音量穩定器(VS)。確保材料具有良好的粘結性、較強的穩定性、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。隨著摻量從0.1%變為0.3%，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整，建議在實際生產和工程應用中，采用速凝劑和緩凝劑復合調整的原理。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節硫鋁酸鹽水泥的凝結時間。
本研究通過大量實驗，總結出能有效調節硫鋁酸鹽水泥系列材料在不同環境溫度下的復合凝結調節劑JH。根據這一規律，微調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，添加工業尾礦機制砂，并添加減水劑、凝結時間復合凝結調節劑、復合體積穩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節劑為變化對象，研究3D打印材料凝固時間和抗壓強度的變化規律。
在三種不同的環境溫度下，通過調節復合促凝劑中促凝劑和緩凝劑的組成，可以在10min-60min內靈活控制材料的凝結時間，調節范圍廣。可以滿足不同季節、不同環境下的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、對環境和人體無害、粘接性好、穩定性強、泵形保持性和粘接性好的優點。打印出的建筑具有良好的形狀和體積穩定性，能夠滿足建筑3D打印施工連續性和建筑強度的要求。打印出的建筑和構件具有短時間內移動和組裝的性能，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節，其工作性能、形狀穩定性和強度能夠滿足建筑3D打印的連續性和結構的安全性。
該水泥基3D打印材料原料易得，可大量應用工業廢棄物，成本低廉，制備和施工過程中不釋放有毒氣體，對環境和人體無害，可促進3D打印技術在建筑中的推廣應用。
