一种改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑3D打印技术领域，特别涉及一种改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土及其制备方法。

背景技术

3D打印技术属于增材制造技术，可以加速生产并减少材料消耗，已被广泛应用于制造业，并且随着3D打印技术的成熟，这项技术开始应用于建筑行业。相比于传统的建筑施工工艺，建筑3D打印技术拥有明显的优势，如建筑3D打印无需施工模板，可以减少施工成本；施工速度快，节约时间成本；可用材料范围广，可极大提高废物利用，符合现代绿色环保的要求等。

随着我国经济的快速发展，各类工业固废和建筑垃圾大量排放与堆积。蒸压加气混凝土砌块由于具有重量轻，保温性强等优点，被普遍用作墙体材料。由于加气混凝土砌块的抗压强度比较低，在生产过程中极易破损，生产中的破损率一般达到了5％～8％，而且在加气混凝土砌块的运输过程中也会产生大量的废品；相关生产企业积压了大量的废弃加气混凝土砌块，这些废弃加气混凝土砌块不仅占用大量土地面积，污染环境；而且由于环保压力，给企业造成了严重的经济负担，阻碍了相关生产企业的发展。这些废弃物得不到处置，会造成更严重的环境危害，甚至威胁了生态环境与人类健康。地聚物混凝土作为一种相对绿色环保的建筑材料，它是一种使用碱激发剂与一些具有火山灰活性的物质混合反应而成的胶凝材料，而矿渣、草木灰、废弃蒸压加气混凝土中富含火山灰活性物质，将这些废弃物变废为宝；而且碱激发混凝土具有凝结时间短，组成材料来源广和流动性好等特性，有利于提高3D打印混凝土的挤出性和建造性。利用矿粉、草木灰、改性废弃蒸压加气混凝土材料，不仅促进建筑智能化发展还可以解决水泥和天然砂短缺，固废堆积等难题具有广阔的市场应用前景。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供一种改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土，以重量份数计，原料包括

石粉300～450份；草木灰200～300份；改性废弃蒸压加气砖粉末400～800份；陶砂1000～1500份；激发剂800～1200份；聚丙烯纤维10～20份；聚羧酸减水剂10～20份；消泡剂5～10份；可分散乳胶粉4～8份；水350～450份。

优选的，以重量份数计，原料包括石粉320～430份；草木灰220～280份；改性废弃蒸压加气砖粉末420～740份；陶砂1100～1300份；激发剂820～1100份；聚丙烯纤维12～18份；聚羧酸减水剂12～18份；消泡剂6～8份；可分散乳胶粉5～7份；水380～460份制成。

在一些实施例中，所述改性废弃蒸压加气砖粉末制备过程为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并置于40～50℃下搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理后制得。

在一些实施例中，改性废弃蒸压加气砖粉末的活性＞70％，比表面积＞550m

在一些实施例中，所述石粉为花岗岩石粉、石灰石石粉和大理石石粉中的任意一种或两种组合。

具体的，所述可分散乳胶粉可为乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物、醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物、丙烯酸共聚物中的任意一种。优选的，所述可分散乳胶粉为丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉。

在一些实施例中，所述聚丙烯纤维的纤维长度为6～9mm。具体的，聚丙烯纤维在结构中主要为防止改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土发生开裂，6～9mm长度范围的聚丙烯纤维和改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土的适应性最佳。本领域技术人员可根据实际情况将聚丙烯纤维替换为其他长度范围相同的柔性纤维，不作具体限制。

在一些实施例中，所述硅烷偶联剂为氨基类硅烷偶联剂、环氧基类硅烷偶联剂、乙烯基硅烷偶联剂中的任意一种。优选的，所述硅烷偶联剂为环氧基类硅烷偶联剂。

在一些实施例中，所述陶砂为淤泥陶砂、电瓷陶砂和粉煤灰陶砂中的任意一种。

在一些实施例中，所述陶砂最大颗粒尺寸＜5mm；所述陶砂的容重为400～600kg/m

在一些实施例中，所述激发剂为硅酸钠溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液中的任意一种或两种组合。具体的，所述硅酸钠溶液模数为2.0。

在一些实施例中，所述草木灰为草本和木本植物燃烧后产生的灰烬。

优选的，所述聚羧酸减水剂的减水效率为30％～36％。

本发明还提供一种制备如上任意所述的改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土的制备方法，其特征在于，步骤如下：

将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A搅拌均匀2～4分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌1～3分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3～5分钟得到混合物C；最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和水搅拌5～8分钟即得到所述改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土。

在一些实施例中，混合物B中所述激发剂与水的比例为0.5～1.0:1.0～5.0。

基于上述，与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1、本发明通过恰当比例的石粉、草木灰和改性废弃蒸压加气砖粉末，使3D打印混凝土的流动性能和挤出性能更加优越，并且混凝土内部结构性能得到改善，内部紧密连接程度加深，使得强度得以提高。

2、本发明使用石粉、草木灰、废弃蒸压加气砖粉末和陶砂等材料，实现了废弃物的再次利用，符合绿色环保要求，更大大地降低了材料成本，符合国家产业要求。

3、本发明通过碱激发体系与3D打印技术结合，大大减少了传统3D打印混凝土中水泥的用量，节约资源；而且利用碱激发胶凝材料的早期强度高、凝结时间短和耐久性好等特性，恰好能够提高3D打印混凝土的可建造性能，弥补传统3D打印混凝土早起工作性能差的缺陷。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书中所指出的结构和/或组分来实现和获得。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

实施例1

制备3D打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：石粉300份；草木灰200份；改性废弃蒸压加气砖粉末400份；陶砂1200份；激发剂800份；聚丙烯纤维10份；聚羧酸减水剂10份；可分散乳胶粉4份；消泡剂5份；水350份。

其中所述石粉为石灰石石粉。所述草木灰为稻壳灰。所述改性废弃蒸压加气砖粉末为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并于50℃下进行搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理，改性制得。改性废弃蒸压加气砖粉末的活性80％，比表面积580m

先将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A置于砂浆搅拌机内搅拌均匀2分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌均匀2分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3分钟得到混合物C；

最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和一定量的水搅拌5分钟得到3D打印轻质混凝土。

实施例2

制备3D打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：石粉375份；草木灰250份；改性废弃蒸压加气砖粉末600份；陶砂1000份；激发剂960份；聚丙烯纤维15份；聚羧酸减水剂15份；可分散乳胶粉7份；消泡剂6份；水420份。

其中所述石粉为石灰石石粉。所述草木灰为稻壳灰。所述改性废弃蒸压加气砖粉末为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并于50℃下进行搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理，改性制得，改性废弃蒸压加气砖粉末的活性80％，比表面积580m

先将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A置于砂浆搅拌机内搅拌均匀2分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌均匀2分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3分钟得到混合物C；

最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和一定量的水搅拌5分钟得到3D打印轻质混凝土。

实施例3

制备3D打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：石粉450份；草木灰300份；改性废弃蒸压加气砖粉末800份；陶砂1500份；激发剂1200份；聚丙烯纤维20份；聚羧酸减水剂20份；可分散乳胶粉10份；消泡剂8份；水450份。

其中所述石粉为石灰石石粉。所述草木灰为稻壳灰。所述改性废弃蒸压加气砖粉末为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并于50℃下进行搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理，改性制得，改性废弃蒸压加气砖粉末的活性80％，比表面积580m

先将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A置于砂浆搅拌机内搅拌均匀2分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌均匀2分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3分钟得到混合物C；

最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和一定量的水搅拌5分钟得到3D打印轻质混凝土。

实施例4

制备3D打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：石粉320份；草木灰220份；改性废弃蒸压加气砖粉末420份；陶砂1100份；激发剂820份；聚丙烯纤维12份；聚羧酸减水剂12份；可分散乳胶粉5份；消泡剂6份；水380份。

其中所述石粉为石灰石石粉。所述草木灰为稻壳灰。所述改性废弃蒸压加气砖粉末为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并于50℃下进行搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理，改性制得，改性废弃蒸压加气砖粉末的活性80％，比表面积580m

先将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A置于砂浆搅拌机内搅拌均匀2分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌均匀2分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3分钟得到混合物C；

最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和一定量的水搅拌5分钟得到3D打印轻质混凝土。

实施例5

制备3D打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：石粉430份；草木灰280份；改性废弃蒸压加气砖粉末740份；陶砂1300份；激发剂1100份；聚丙烯纤维18份；聚羧酸减水剂18份；可分散乳胶粉7份；消泡剂8份；水460份。

其中所述石粉为石灰石石粉。所述草木灰为稻壳灰。所述改性废弃蒸压加气砖粉末为废弃蒸压加气砖经过破碎球磨后，再加入至硅烷偶联剂溶液中，并于50℃下进行搅拌，搅拌均匀后得到混合液，然后将所述混合液进行过滤干燥处理，改性制得，改性废弃蒸压加气砖粉末的活性80％，比表面积580m

先将石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末和陶砂混合得到混合物A，然后将混合物A置于砂浆搅拌机内搅拌均匀2分钟；

然后将激发剂加入到水中，搅拌均匀2分钟得到混合物B；

向混合物A中加入混合物B并不断搅拌，搅拌3分钟得到混合物C；

最后向混合物C中加入聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉和一定量的水搅拌5分钟得到3D打印轻质混凝土。

对比例1

严格对照实施例2，在制备3D打印混凝土时加入480份未进经过改性处理的废弃蒸压加气砖粉末，并用于与本发明的3D打印混凝土性能比较研究。

对比例2

严格对照实施例2，在制备3D打印混凝土时不加入改性废弃蒸压加气砖粉末，并用于与本发明的3D打印混凝土性能比较研究。

对比例3

严格按照实施例2，在制备3D打印混凝土时不加入石粉、草木灰与激发剂，并用于与本发明的3D打印混凝土性能比较研究。

需要说明的是，上述实施例中的具体参数或一些常用试剂，为本发明构思下的具体实施例或优选实施例，而非对其限制；本领域技术人员在本发明构思及保护范围内，可以进行适应性调整。

此外，若无特殊说明，所采用的原料也可以为本领域常规市售产品、或者由本领域常规方法制备得到。

3D打印混凝土性能测试

对上述实施例1～5和对比例1～3，按照标准《混凝土3D打印技术规程》T/CECS786-2020进行性能测试，测试结果如表1所示：

表1 3D打印混凝土性能试验结果

注：改性废弃蒸压加气砖粉末掺量为其占胶凝材料的质量百分比，胶凝材料为石粉、草木灰及改性废弃蒸压加气砖粉末的总和。

由表1可知，随着改性废弃蒸压加气砖粉末掺入量的增加，改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土的流动性逐渐增加，其可挤出性和建造性能变差，这可能是因为一方面改性废弃蒸压加气砖粉末表面亲水性增加，变得更圆滑；另一方面由于活性基团存在，使得改性后废弃加气混凝土粉末易吸附在水泥粒子表面，减小了粒子间的摩擦，有利于粒子的滑移，从而提高了水泥浆的分散性和流动性。改性废弃蒸压加气砖粉末表面凸起及孔隙分配更为均衡，因此，粉体表面的光滑、平整、圆润会对改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土工作性能产生有利的影响。从实施例2和对比例1中可以看出，经过改性处理后的废弃蒸压加气砖粉末，活性要大于不进行处理的废弃蒸压加气砖粉末，等量掺入3D打印混凝土后的硬化体抗压强度要比掺入未处理的废弃蒸压加气砖粉末抗压强度高22.6％；这可能是因为改性废弃蒸压加气砖粉末活性颗粒较多，具有火山灰效应和填充效应，在某种程度上促进了水化产物的生成；从实施例1～5和对比例2中可以看出，掺入改性蒸压废弃蒸压加气砖粉末后3D打印固化体的抗压强度呈现先增大后减小趋势，其中掺量在48.9％时，28d抗压强度最大，为39.4MPa，这可能是因为一部分的改性废弃蒸压加气砖粉末，促进了水化反应的进行，使硬化体中生成了更多的水化产物，比如C-S-H凝胶和钙矾石等；由对比例3可以看出，不加入石粉、草木灰和激发剂，混凝土几乎无强度，而且也不会初凝，无法达到应用要求。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的改性废弃加气砖粉末3D打印轻质混凝土通过碱激发体系与3D打印技术结合，大大减少了传统3D打印混凝土中水泥的用量，节约资源；而且利用碱激发胶凝材料的早期强度高、凝结时间短和耐久性好等特性，恰好能够提高3D打印混凝土的可建造性能，弥补了传统3D打印混凝土早起工作性能差的缺陷。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如石粉、草木灰、改性废弃蒸压加气砖粉末、陶砂、激发剂、聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂、消泡剂、可分散乳胶粉、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。