发明内容

本发明的目的是为了提供一种适用于3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，提出了一种以增材制造技术制备的三维金属纤维，给出了金属粉末组成元素和制备工艺参数，根据不同的基体水灰比确定纤维含量及其几何形态特征，提出了三维金属纤维-水泥基复合材料的制备方法。相比于常规金属纤维-水泥基复合材料，本发明提出的三维金属纤维-水泥基复合材料具有更高的抗拉、抗弯、抗剪强度及断裂韧性，为3D打印混凝土工程应用提供了一种新型高韧性水泥基复合材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料，包括如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥100份；砂100份；减水剂0.47份；增稠剂0.2份；消泡剂0.2份；水26份；三维金属纤维；所述三维金属纤维的掺量为0～3％；

所述三维金属纤维利用选区激光熔融增材制造技术制备：基于分层制造原理，将三维模型层层切片，并使用激光作为热源，根据切片信息将预先铺在成形面上的金属粉末的融化，然后工作平面下降，铺粉装置铺设新一层金属粉末，如此层层堆积直至成形；

所采用金属粉末的组成元素及其含量为：0.034％～0.07％碳、0.12％氮、0.056％～0.1％氧、0.1％～0.69％硅、0.022％～0.033％磷、0.002％～0.03％硫、16％～16.75％铬、0.224％～1％锰、72.237％～76.849％铁、3.64％～4.19％镍、2.66％～4.02％铜、0.2％～0.26％铌、0.093％～0.5％钼；

所采用金属粉末粒径为15～20μm，霍尔流速为40～50s/50g；

其中，激光功率为200W、光斑尺寸为100μm、扫描速度为650mm/s、分层厚度为15～20μm、扫描间距为80μm，打印成形后在788℃条件下热处理1～1.5小时；所述三维金属纤维的打印路径与纤维的长度方向平行。

进一步的，所述三维金属纤维包括主干、结点和分肢；

所述主干的几何形态包括一元、二元和三元类型，一元类型为直线型，二元类型包括波浪型和折线型，三元类型包括螺旋型；所述波浪型、折线型和螺旋型主干分别由圆弧、折线和空间圆弧形式的几何单元组成；主干的有效长度L_f的合理取值范围为16～35mm；

所述结点均匀分布在主干上；结点的几何形态为球体，其中心与主干、分肢轴线的交点重合；

所述分肢通过结点与主干相连接，分肢与主干的夹角α范围为60°～90°；同结点处的相邻分肢之间的夹角β范围为45°～120°。

进一步的，所述三维金属纤维的体积含量V_f根据基体水灰比w/c确定，w指水的重量、c指水泥的重量：

(1)当w/c<0.26时，若为一元类型，则V_f≤1.0％；若为二元类型，则V_f≤0.8％；若为三元类型，则V_f≤0.7％；

(2)当0.26≤w/c<0.3时，若为一元类型，则V_f≤2.0％；若为二元类型，则V_f≤1.6％；若为三元类型，则V_f≤1.3％；

(3)当0.3≤w/c≤0.4时，若为一元类型，则V_f≤3.0％；若为二元类型，则V_f≤2.4％；若为三元类型，则V_f≤1.9％。

进一步的，所述一元直线型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：

(1)主干有效长度L_f应满足以下条件：若V_f<2.0％，则L_f＝0.9D；若2.0％≤V_f≤3.0％，则L_f＝0.8D，其中D为打印喷嘴直径；

(2)主干直径d₁和分肢直径d₂应满足以下条件：若V_f<2.0％，则d₁＝d₂＝900μm；若2.0％≤V_f≤3.0％，则d₁＝d₂＝700μm；

(3)分肢长度l_f应满足以下条件：若V_f<2.0％，则l_f＝0.3L_f；若2.0％≤V_f≤3.0％，则l_f＝0.2L_f；

(4)结点间距d取值范围为：d＝(0.5～0.65)L_f；

(5)结点半径R应满足以下条件：0.7d₁≤R≤d₁。

进一步的，所述二元波浪型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：

(1)主干有效长度L_f应满足以下条件：若V_f<1.6％，则L_f＝0.9D；若1.6％≤V_f≤2.4％，则L_f＝0.8D；

(2)主干直径d₁和分肢直径d₂应满足以下条件：若V_f<1.6％，则d₁＝d₂＝900μm；若1.6％≤V_f≤2.4％，则d₁＝d₂＝700μm；

(3)几何单元的形态为圆弧；

(4)几何单元的个数n为：n＝(0.3～0.35)L_f并取整；

(5)几何单元的弧度θ范围为：0<θ<π；

(6)分肢长度l_f应满足下式：其中k为分肢长度控制系数，k≤0.6；

(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d₁≤R≤d₁。

进一步的，所述二元折线型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：

(1)主干有效长度L_f应满足以下条件：若V_f<1.6％，则L_f＝0.9D；若1.6％≤V_f≤2.4％，则L_f＝0.8D；

(2)主干直径d₁和分肢直径d₂应满足以下条件：若V_f<1.6％，则d₁＝d₂＝900μm；若1.6％≤V_f≤2.4％，则d₁＝d₂＝700μm；

(3)几何单元的形态为折线；

(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)L_f并取整；

(5)几何单元的有效高度H_n的取值范围为：

(6)分肢长度l_f应满足下式：其中k为分肢长度控制系数，k≤0.6；

(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d₁≤R≤d₁。

进一步的，所述三元螺旋型三维金属纤维的几何细部尺寸按照以下方式确定：

(1)主干有效长度L_f应满足以下条件：若V_f<1.3％，则L_f＝0.8D；若1.3％≤V_f≤1.9％，则L_f＝0.9D；

(2)主干直径d₁和分肢直径d₂应满足以下条件：若V_f<1.3％，则d₁＝d₂＝900μm；若1.3％≤V_f≤1.9％，则d₁＝d₂＝700μm；

(3)几何单元的形态为空间圆弧；

(4)几何单元的个数n为：n＝(0.2～0.3)L_f并取整；

(5)几何单元在法平面投影的圆弧弧度θ范围为：0<θ<π，其中法平面是指与三维纤维中心轴正交的平面；

(6)分肢长度l_f应满足下式：其中k为分肢长度控制系数，k≤0.5；

(7)结点位于几何单元的中点处，结点半径R应满足以下条件：0.7d₁≤R≤d₁。

进一步的，所述金属粉末和三维金属纤维质量的检测方法如下：

(1)金属粉末质量检测方法：

1)取样：每500kg金属粉末取1组，每组不少于3个样本；

2)化学成分：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法检测，3个样本的测试结果均要满足权利要求1中给出的金属粉末化学成分；

3)粒径：采用电子扫描显微镜检测，样本的测试结果不得超过权利要求1中给出的粒径范围的10％，否则视为不合格，3个样本全部合格，则本批粉末粒径检测合格；

(2)三维金属纤维质量检测方法：

1)取样：每50t作为1个批次进行质量检测，包括1组外观检测、4组力学性能检测，每组不少于3个样本；

2)外观检测：要求纤维表面光滑、直径沿长度方向均匀无显著变化；直径检测包括主干、分肢和结点；主干及分肢取两端和中点不少于3处进行检测，结点直径取不少于3个方向进行检测；若3个测值中有2个测值与目标值的差值在目标值的10％以内，则合格；长度检测包括主干和分肢；若测值与目标值的差值在设计值的5％以内，则合格；3个样本均合格，则合格；

3)力学性能检测：用于检测的纤维，其原始标距不小于100mm、平行长度为120mm；根据打印方向与纤维轴线方向的关系，按照平行、垂直和夹角45°进行打印制作共3组试件，每组至少取3个样本，其测量结果不低于目标值；用于检测的带结点纤维，按照打印方向与纤维轴线方向一致的方式进行制作，样本数不少于3个，拉伸试验中结点不发生断裂，且抗拉强度测量结果不低于目标值。

一种适用3D打印的三维金属纤维-水泥基复合材料的制备方法，所述三维金属纤维与水泥基材料拌和方式包括一次拌和和两次拌和；

所述一次拌和：首先将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；然后开动搅拌机，将干料按照砂、三维金属纤维、水泥的投料顺序缓慢投入搅拌机，待干料混合均匀后，将混合液加入并搅拌6min即得到拌合物；

所述两次拌和：将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；开动搅拌机，首先将干料按照砂、50％三维金属纤维、水泥的投料顺序缓缓投入搅拌机，待干料混合均匀后，约将70％混合液加入，再搅拌3min；然后，将剩余三维金属纤维和混合液投入搅拌机，搅拌4min后即得到拌合物；

对于一元类型纤维，其体积含量V_f≤2.0％时，采用一次拌和方式；若V_f>2.0％，采用两次拌和；对于二元类型纤维，其体积含量V_f≤1.6％时，采用一次拌和方式；若V_f>1.6％，采用两次拌和；对于三元类型纤维，其体积含量V_f≤1.3％时，采用一次拌和方式；若V_f>1.3％，采用两次拌和方式。

进一步的，所述制备方法的可打印性根据初凝时间、流动度进行判定，初凝时间试验按照我国标准《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)实施，流动度试验按照我国标准《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)实施，二者具体按以下标准判定其可打印性：

(1)若V_f<1.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足155-165mm时，满足材料可打印性的要求；

(2)若1.0％≤V_f<2.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足160-170mm时，满足材料可打印性的要求；

(3)若2.0％≤V_f≤3.0％，当初凝时间满足40-60min，流动度满足165-175mm时，满足材料可打印性的要求。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)三维金属纤维较传统直线型、端钩型纤维具有更好的增韧阻裂能力，可以显著提高3D打印混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度，并明显改善3D打印混凝土各向异性、脆性大的缺点。

2)可以根据喷嘴尺寸设计三维金属纤维的尺寸，并提出了纤维外观及力学性能质量的检测标准。根据基体水灰比，可掺入相应含量的纤维，通过调整外加剂的掺量满足混凝土的可打印性能。最后，根据纤维种类和含量确定拌合物的拌和方式，使其在泵送过程中具有良好的流动性，打印时具有良好的稳定性。