CN117209222A - 一种建筑3d打印材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化技术领域，具体地涉及一种建筑3D打印材料的制备方法；将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维、减水剂、增稠剂和任选的活性材料混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料；搅拌时间为5～90min，和/或，搅拌温度为20～50℃。本发明制备的建筑3D打印材料具有较好的强度，既满足了建筑3D打印油墨可泵送性、可建造性等要求，又大量使用了再生红砖粉和再生红砖颗粒，变废为宝，可以将红砖进行资源化利用，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。
Description
本申请是名为《建筑3D打印材料、其制备方法和应用以及制品》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2022年05月27日，申请号为202210584640.6。
技术领域
本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化技术领域，特别是涉及一种建筑3D打印材料的制备方法。
背景技术
3D打印技术属于快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，也即，它是通过将材料进行逐层叠加的方式完成实体结构的制造技术，具有无需模具、缩短制造周期、降低成本等优点。
3D打印应用于建筑行业时，通常在3D打印机喷头喷出的是一种以砂浆或混凝土为“油墨”材料的物料，以将3D打印技术运用于建筑工程领域的智能建造技术。3D打印技术在建筑领域的应用不仅可以大大降低建造成本、提高建造效率，还能提高建造的安全性、适用性和精确性，同时也使得复杂的建造形式成为可能。为满足3D打印的需要，砂浆(或混凝土)需要具备较好的流变性且能在空气中迅速凝结，需要具有较高的可塑性。
同时，在社会需求持续增长和消费水平日益提高的今天，能源紧缺已成为制约经济和社会持续协调发展的重大课题。节约能源、降低能耗，实现废弃物的资源化利用，是相关领域工作者面临的一项义不容辞的艰巨任务。在此背景下，如何制备一种建筑节能环保的3D打印材料，同时考虑其环境和经济效益，并兼顾建筑3D打印材料的强度较高、流变性较好、可塑性较强等特点，是本领域的热点问题。
此外，由于我国城市化建设与改造，大量的废弃红砖作为建筑垃圾被丢弃，不仅污染环境，而且还占用土地资源，回收利用成本高。如何有效综合利用废弃资源，变废为宝，成为了行业工作者一个急需解决的课题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供供一种建筑3D打印材料的制备方法，其制品具有强度较高，不易塌落或不易脆性破坏的特点；同时，该制备方法大量使用了再生红砖粉和再生红砖颗粒，使得废弃物的资源能够再生利用，降低了成本，并具有较高的环境效益和社会效益。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种建筑3D打印材料的制备方法，所述建筑3D打印材料以重量份计，包括以下组分：水泥200～420份、再生红砖粉300～650份、再生红砖颗粒1000～1250份、稳定剂0.2～1.2份、粘结剂0.1～1份、消泡剂0.1～1.5份、纤维0.1～5份、减水剂0～5份以及增稠剂和活性材料；其中，所述再生红砖粉的粒径小于所述再生红砖颗粒的粒径，所述再生红砖粉为微米级或纳米级，和/或，所述再生红砖颗粒为毫米级，所述再生红砖粉的粒径范围为≤75μm，所述再生红砖颗粒的粒径范围为≤3mm；所述活性材料包括硅灰、粉煤灰或矿粉中的至少一种；所述硅灰的重量份为0～150份，所述粉煤灰的重量份为0～200份，所述矿粉的重量份为0～300份；所述增稠剂包括淀粉醚；以重量份计，所述增稠剂的重量份为0.1～1份；
所述再生红砖颗粒的制备方法包括：将建筑废旧红砖进行破碎成颗粒，得到再生红砖颗粒；
在制备再生红砖粉和/或再生红砖颗粒时，包括预处理或轻物质处理步骤，以去除杂质；
所述建筑3D打印材料的制备方法包括：
将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维、减水剂、增稠剂和任选的活性材料混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料；搅拌时间为5～90min，和/或，搅拌温度为20～50℃；
所述建筑3D打印材料的抗压强度范围为20.8～38.5MPa；塌落度范围为140～170mm。
作为一种可选的实施方式，所述水泥包括硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐水泥或铝酸盐改性硅酸盐水泥中的至少一种；所述水泥为白水泥和/或灰水泥，优选为灰水泥；所述稳定剂包括硅藻土、甲基羟乙基纤维素醚、甲基纤维素、甲基羟丙基纤维素醚、木质纤维素、CMC纤维素或HPMC纤维素中的至少一种，优选为HPMC纤维素；所述粘结剂包括乳胶粉、树脂或聚乙烯醇中的至少一种，优选为乳胶粉；所述纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、耐碱玻璃纤维、耐碱短切玻璃纤维或玄武岩纤维中的至少一种，优选为耐碱短切玻璃纤维。
本发明的有益效果如下：
本发明通过对组成建筑3D打印材料的组分及配比进行限定，得到一种强度较高，不易塌落或不易脆性破坏，粘结性能较好的3D打印材料。该建筑3D打印材料，利用再生红砖粉代替了现有的部分胶凝材料或活性材料如水泥或矿粉或粉煤灰等，利用再生红砖颗粒代替了现有的骨料如砂子，并配合一定量的水泥、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维和减水剂等，通过各组分之间的相互配合，材料的粘结性较强，使材料具有较好的强度和泵送性能，满足印油墨可泵送性、可挤出性及可建造性的要求，从而能够满足建筑3D打印的需求。同时，本发明使用了大量的再生红砖粉和再生红砖颗粒，可以将红砖粉与红砖颗粒(细骨料)利用率提高到至少85％，变废为宝，不但可以将红砖进行资源化利用，大大减少了粘土的利用，又能减少能源的利用，减少碳的排放，还能重复利用变成建筑的原材料，考虑到了废弃物的资源再生利用，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
红砖是以粘土，页岩，煤矸石等为原料，经粉碎，混合捏练后以人工或机械压制成型，经干燥后在900℃左右的温度下以氧化焰烧制而成的烧结型建筑砖块，属于无机非金属材料。红砖作为普通建筑材料，已经在我国广泛使用了几十年，它在撑起高楼大厦的同时，也对环境造成了一定的危害。由于红砖的生产高能耗并且严峻污染环境，需要消耗大量的粘土，会造成一定的环境污染，红砖的生产属于高能耗、高污染、低集约化的产业；此外，由于建筑物会具有一定的寿命，红砖从生产到废弃，不断地会带来新的环境污染。废弃红砖为红砖生产中的废砖块或建筑物拆除后产生的废红砖，是一种常见的建筑工业固体废弃物。近年来，产生了大量的废弃红砖，通常会将如此大量的废红砖作为建筑垃圾被丢弃或填埋，既占用土地，还污染环境，如何有效地资源化综合利用废弃的红砖，变废为宝，是一个值得研究的问题。
有鉴于此，本申请将废红砖应用到建筑3D打印材料领域，利用废弃红砖替代部分水泥和砂，用来制备建筑3D打印材料，不仅降低了价格，避免了环境污染，而且也为废红砖的合理利用提供了新的途径，填补了废红砖在建筑3D打印材料领域中应用的空白。具体技术方案参见下文描述。
在本申请的一些实施例中，提供一种建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥200～420份、再生红砖粉400～650份、再生红砖颗粒1000～1250份、稳定剂0.2～1.2份、粘结剂0.1～1份、消泡剂0.1～1.5份、纤维0.1～5份和减水剂0～5份；
其中，所述再生红砖粉的粒径小于所述再生红砖颗粒的粒径。
根据本发明实施例提供的技术方案，将建筑物拆除后产生的废红砖进行处理可得到再生红砖，如，将废红砖进行破碎后分级使用，可以将一定粒度的再生红砖颗粒作为细骨料使用，也可以将相对粒径较小的再生红砖粉末替代部分水泥或矿粉或粉煤灰使用，也即，可以将至少两种不同粒度的再生红砖材料应用到建筑3D打印材料中，作为3D打印建筑打印的原材料进行使用。从而，包含该再生红砖粉和再生红砖颗粒的建筑3D打印材料，在满足不同强度需求的情况下，可以将红砖粉与红砖颗粒(细骨料)利用率提高到至少85％，变废为宝，不但可以将红砖进行资源化利用，大大减少了粘土的利用，又能减少能源的利用，减少碳的排放，还能重复利用变成建筑的原材料，考虑到了废弃物的资源再生利用，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。
并且，本发明的建筑3D打印材料通过合适且适量的水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维和减水剂等相互协同配合，在各原料组分功能上的相互配合、支撑，以及比例间的相互制约和搭配下，提升了建筑3D打印材料的相关性能，如该3D打印材料具有更好的强度和泵送性能，粘结性较强，不易塌落，满足3D打印油墨可泵送性、可挤出性及可建造性的要求，从而能够满足建筑3D打印的需求。
本文中，除非另有说明，否则所涉及的百分数、比例或份数按照重量计。其中，“重量份”指多个组分的重量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位重量，例如1份可以表示为1g，可以表示1.68g，也可以表示为5g等。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括水泥，水泥的重量份数为200～420份，典型但非限制性的例如可以为200份、205份、210份、220份、240份、260份、280份、300份、350份、380份、400份、410份、420份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。水泥可作为胶凝材料使用，是粉状水硬性无机胶凝材料，将粉状水硬性无机胶凝材料加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，可以将砂或骨料等材料牢固地胶结在一起。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括再生红砖粉，再生红砖粉的重量份数为300～650份，典型但非限制性的例如可以为300份、310份、380份、400份、410份、420份、450份、460份、500份、510份、520份、550份、600份、650份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。再生红砖粉可作为3D打印材料的活性矿物掺合料，由于其比表面积大，活性好，可与熟料粉混合配制水泥，同时可以作为外加剂替代部分水泥直接掺入3D打印材料中，生产性能优越的高性能3D打印材料，降低水泥和3D打印材料的成本，为制备绿色高性能3D打印材料提供了一条有效地途径，并实现废红砖资源化和高价值化的综合利用。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括再生红砖颗粒，再生红砖粉的粒径要小于再生红砖颗粒的粒径，再生红砖颗粒的重量份数为1000～1250份，典型但非限制性的例如可以为1000份、1100份、1150份、1180份、1200份、1210份、1220份、1230份、1240份、1250份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。再生红砖颗粒，可以取代传统砂子等细骨料，作为在3D打印材料中可以起到骨架或填充作用的粒状松散材料。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括稳定剂，稳定剂的重量份数为0.2～1.2份，典型但非限制性的例如可以为0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.1份、1.2份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。稳定剂可以用于提高水泥和骨料如再生红砖颗粒的分散性，大幅改善建筑3D打印材料或砂浆的可塑性和保水性。还可以作为水泥砂浆的保水剂、缓凝剂使砂浆具有泵送性。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括粘结剂，粘结剂的重量份数为0.1～1份，典型但非限制性的例如可以为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。粘结剂可以用于提高建筑3D打印材料的粘合力、抗折强度、塑性、耐磨性以及材料的施工性能，并且对材料的流动性、触变性以及保水性等不会产生任何不利影响。此外，粘结剂可以与各种为达到某种特殊性能的砂浆添加剂具有很好的相容性。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括消泡剂，消泡剂的重量份数为0.1～1.5份，典型但非限制性的例如可以为0.1份、0.12份、0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.2份、1.5份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。该消泡剂主要针对水泥砂浆搅拌过程中起泡特点而设计，使用水泥砂浆消泡剂可以有效控制水泥砂浆体系内泡沫产生，使最终制得的构件更加致密光亮。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括纤维，纤维的重量份数为0.1～1.5份，典型但非限制性的例如可以为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.、9份、1份、1.2份、1.4份、1.5份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。本实施例采用的纤维的耐碱性较好，可以有效抵抗水泥中高碱物质的侵蚀，握裹力较强，弹性模量、抗冲击、抗拉、抗弯强度较高，不燃、抗冻、耐温度、湿度变化能力也较强，抗裂、抗渗性能卓越，具有可设计性强，易成型等特点，属于一种新型的绿色环保型增强材料。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料包括减水剂，减水剂的重量份数为0～5份，典型但非限制性的例如可以为0份、0.1份、0.2份、0.4份、0.5份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.5份、2份、2.5份、3份、4份、5份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。减水剂具有减水分散的效果，在维持建筑3D打印材料或砂浆坍落度不变的条件下，能减少拌合用水量的其余外加剂。加入砂浆拌合物后对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善砂浆拌合物的流动性。
可以理解，该减水剂为任选的减水剂，也即，可以添加减水剂，也可以不添加减水剂。较佳的，该建筑3D打印材料中添加少量的减水剂。
根据本发明的一些实施例，建筑3D打印材料通过调节各原料组分的种类及配比，与其他组分协同作用，通过使各组分在上述范围内，能使制得的建筑3D打印材料具有良好的强度和泵送性能，满足3D打印油墨可泵送性、可挤出性及可建造性的要求，且性能稳定。具体地，上述建筑3D打印材料中的上述各组分在上述范围内，是综合考虑各原料组分对建筑3D打印材料性能指标如强度、成型性、稳定性等、整个体系的协同性等的贡献而确定的，利用上述特定含量的水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维和减水剂的协同配合，均衡了各种性能，能使制得的建筑3D打印材料具有良好的强度和泵送性能及粘结性能的作用，且在达到性能指标的同时能降低成本。
需要说明的是，本发明的建筑3D打印材料可以作为用于建筑3D打印的砂浆中的干粉，也就是，用于建筑3D打印的砂浆可以包括本发明提供的建筑3D打印材料以及溶剂，该溶剂例如可以为水。建筑3D打印材料(即干粉)作为用于建筑3D打印材料的主要固体物质。
可选的，用于建筑3D打印的砂浆中的水可以为去离子水或普通自来水。
可选的，用于建筑3D打印的砂浆中，水的(重量)添加量可以为建筑3D打印材料(干粉)的12％～20％，进一步可以为13％～18％，进一步可以为14％～16％；典型但非限制性的例如可以为12％、13％、14％、14.5％、15％、15.5％、16％、18％以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。水是用于分散溶质的主要溶剂。此外，在其他实施方式中，砂浆中水的添加量还可以根据实际情况进行调节，本实施例对于水的用量不作限制。
在一些实施例中，所述建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：水泥220～410份、再生红砖粉410～600份、再生红砖颗粒1000～1230份、稳定剂0.2～1份、粘结剂0.2～1份、消泡剂0.1～1份、纤维0.5～3.5份和减水剂0.1～4份。
在一些实施例中，所述建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：水泥250～350份、再生红砖粉450～550份、再生红砖颗粒1000～1200份、稳定剂0.5～1份、粘结剂0.3～0.8份、消泡剂0.2～0.7份、纤维1～2.5份和减水剂0.3～3份。
通过合理调整和优化建筑3D打印材料中各组分的含量，充分发挥各组分之间的协同配合作用，进一步提高建筑3D打印材料的强度、泵送性能、粘结性能或综合性能，同时降低建筑3D打印材料的生产成本。
上述建筑3D打印材料中包含的不同粒径的再生红砖材料，即，再生红砖粉和再生红砖颗粒，可以更充分地利用红砖资源。其中，再生红砖粉可作为3D打印材料的活性矿物掺合料，由于其比表面积大，活性好，可与熟料粉混合配制水泥，同时可以作为外加剂替代部分水泥直接掺入3D打印材料中，生产性能优越的高性能3D打印材料，降低水泥和3D打印材料的成本，为制备绿色高性能3D打印材料提供了一条有效地途径，并实现废红砖资源化和高价值化的综合利用。在一些实施例中，所述再生红砖粉为微米级或纳米级。在一些实施例中，所述再生红砖粉的粒径范围为≤100μm，更优选为≤75μm。示例性的，再生红砖粉的粒径可以为100μm、90μm、85μm、80μm、75μm、70μm、65μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm等等，本实施例对于再生红砖粉的具体粒径不作限定。较佳的，实际应用中，该再生红砖粉可以采用200目左右的筛子进行筛分得到。
在一些实施例中，所述再生红砖粉的制备方法包括：将建筑废旧红砖进行破碎，再进行球磨(或粉磨)成粒径≤100μm的粉末，尤其是球磨成粒径≤75μm的粉末，得到再生红砖粉。此外，在制备再生红砖粉时，还可以包括预处理或轻物质处理等步骤，以去除杂质。
上述再生红砖颗粒的粒径要大于再生红砖粉末的粒径，再生红砖颗粒可以取代传统砂子等细骨料，细骨料是相对粗骨料而言直径相对较小的骨料，可作为在3D打印材料中可以起到骨架或填充作用的粒状松散材料。在一些实施例中，所述再生红砖颗粒为毫米级。在一些实施例中，所述再生红砖颗粒的粒径范围为≤5mm，更优选为≤3mm。示例性的，再生红砖颗粒的粒径可以为5mm、4.75mm、4.5mm、4mm、3.5mm、3mm、2.75mm、2.5mm、2mm、1.5mm、1mm等等，本实施例对于再生红砖颗粒的具体粒径不作限定。
在一些实施例中，所述再生红砖颗粒的制备方法包括：将建筑废旧红砖进行破碎成粒径≤5mm的颗粒，尤其是破碎成粒径≤3mm的颗粒，得到再生红砖颗粒。此外，在制备再生红砖颗粒时，还可以包括预处理或轻物质处理等步骤，以去除杂质。
在一些实施例中，所述建筑3D打印材料还可以包括活性材料，所述活性材料包括硅灰、粉煤灰或矿粉中的至少一种。
可以理解，本实施例的再生红砖粉可以作为活性材料(也可以称为活性掺合料)使用，因此，上述硅灰、粉煤灰或矿粉是可选的，也就是，该建筑3D打印材料中可以添加硅灰、粉煤灰或矿粉中的一种或几种，也可以都不添加。通常的，活性掺合料是为了改善混凝土性能，节约用水，调节混凝土强度等级，在混凝土拌合时掺入天然的或人工的能改善混凝土性能的粉状矿物质。
可选的，以重量份计，所述硅灰的重量份为0～150份，所述粉煤灰的重量份为0～200份，所述矿粉的重量份为0～300份。进一步，以重量份计，所述硅灰的重量份为5～105份，所述粉煤灰的重量份为5～150份，所述矿粉的重量份为5～200份。进一步，以重量份计，所述硅灰的重量份为50～105份，所述粉煤灰的重量份为20～100份，所述矿粉的重量份为50～150份。
上述硅灰、粉煤灰或矿粉可以采用能够应用于建筑3D打印材料中的本领域常用的各种常规类型，本实施例对于硅灰、粉煤灰或矿粉的具体类型或来源不作严格限制。例如，矿粉可以是符合工程要求的石粉及其代用品的统称，是将矿石粉碎加工后的产物。粉煤灰可以是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。
在一些实施例中，所述建筑3D打印材料还包括增稠剂，所述增稠剂包括淀粉醚。可选的，淀粉醚可以为羧甲基淀粉醚，当然，还可以采用其他类型的淀粉醚，本实施例对此不作限定。
可选的，以重量份计，所述增稠剂的重量份为0.1～1份。进一步，以重量份计，所述增稠剂的重量份为0.2～0.8份。进一步，以重量份计，所述增稠剂的重量份为0.3～0.6份。
根据本申请实施例，建筑3D打印材料可以包括增稠剂，增稠剂可以采用淀粉醚，增稠剂的重量份数为0.1～1份，典型但非限制性的例如可以为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.、9份、1份以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。本实施例采用的淀粉醚具有非常好的快速增稠能力，中等粘度，有较高的保水性，用量小，极低的添加量即能达到很高的效果；可以提高材料自身的抗下垂能力；具有很好的润滑性，能改善材料的操作性能，使操作更滑爽。
在一些具体的实施例中，建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：水泥200～420份、再生红砖粉300～650份、再生红砖颗粒1000～1250份、稳定剂0.2～1.2份、粘结剂0.1～1份、消泡剂0.1～1.5份、纤维0.1～5份、减水剂0～5份、硅灰0～150份、粉煤灰0～200份，矿粉0～300份和增稠剂淀粉醚0.1～1份。在一些具体的实施例中，建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分水泥220～410份、再生红砖粉410～600份、再生红砖颗粒1000～1230份、稳定剂0.2～1份、粘结剂0.2～1份、消泡剂0.1～1份、纤维0.5～3.5份、减水剂0.1～4份、硅灰0～105份、粉煤灰0～150份，矿粉0～200份和增稠剂淀粉醚0.2～8份。
上述建筑3D打印材料中，水泥为粉状水硬性无机胶凝材料，将粉状水硬性无机胶凝材料加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，可以将砂或骨料等材料牢固地胶结在一起。本实施例对于对水泥的种类不作限定，可采用市售的任意水泥。在一些实施例中，所述水泥包括硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐水泥或铝酸盐改性硅酸盐水泥中的至少一种。典型但非限制性的水泥例如为：硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐水泥或铝酸盐改性硅酸盐水泥、白水泥或灰水泥等。
在一些实施例中，所述水泥为白水泥和/或灰水泥。较佳的，在一些实施例中，水泥采用灰水泥。
此外，在其他实施例中，水泥并不限于上述列举的几种，在满足建筑3D打印的较好强度和泵送性能等的需求情况下，水泥还可以采用其他的类型，在此不再一一详细描述。
上述建筑3D打印材料中，稳定剂可以用于提高水泥和骨料如再生红砖颗粒的分散性，大幅改善建筑3D打印材料或砂浆的可塑性和保水性；还可以作为水泥砂浆的保水剂、缓凝剂使砂浆具有泵送性。本实施例对于对稳定剂的种类不作限定，可采用市售的任意水泥。在一些实施例中，在一些实施例中，所述稳定剂包括硅藻土、甲基羟乙基纤维素醚、甲基纤维素、甲基羟丙基纤维素醚、木质纤维素、CMC纤维素或HPMC纤维素中的至少一种。例如，稳定剂可以采用硅藻土，可以采用甲基羟乙基纤维素醚，可以采用甲基纤维素，可以采用甲基羟丙基纤维素醚，可以采用木质纤维素，可以采用CMC纤维素，可以采用HPMC纤维素等等。较佳的，在一些实施例中，稳定剂采用HPMC纤维素。羟丙基甲基纤维素HPMC的保水性能使浆料在输出后不会因干得太快而龟裂，增强硬化后强度。
此外，在其他实施例中，稳定剂并不限于上述列举的几种，在满足建筑3D打印的较好强度和泵送性能等的需求情况下，稳定剂还可以采用其他的类型，在此不再一一详细描述。
上述建筑3D打印材料中，粘结剂是磨料和基体之间粘结强度的保证，粘结剂可以用于提高建筑3D打印材料的粘合力、抗折强度、塑性、耐磨性以及材料的施工性能，并且对材料的流动性、触变性以及保水性等不会产生任何不利影响。此外，粘结剂可以与各种为达到某种特殊性能的砂浆添加剂具有很好的相容性。在一些实施例中，所述粘结剂包括但不限于乳胶粉、树脂或聚乙烯醇中的至少一种。较佳的，在一些实施例中，粘结剂为乳胶粉。乳胶粉可以为可再分散性乳胶粉，本实施例对此不作限定。
此外，在其他实施例中，粘结剂并不限于上述列举的几种，在满足建筑3D打印的较好强度和泵送性能等的需求情况下，粘结剂还可以采用其他的类型，在此不再一一详细描述。
上述建筑3D打印材料中，纤维是增强混凝土的强度和防渗性能的材料，纤维技术与混凝土技术相结合，可研制出能改善混凝土性能，提高土建工程质量的钢纤维以及合成纤维。在一些实施例中，所述纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、耐碱玻璃纤维、耐碱短切玻璃纤维或玄武岩纤维中的至少一种。较佳的，在一些实施例中，所述纤维为耐碱短切玻璃纤维。耐碱玻璃纤维，又称AR玻璃纤维，其耐碱性好，能有效抵抗水泥中高碱物质的侵蚀，握裹力强，弹性模量、抗冲击、抗拉、抗弯强度极高，不燃、抗冻、耐温度、湿度变化能力强，抗裂、抗渗性能卓越，具有可设计性强，易成型等特点，是广泛应用在高性能增强(水泥)混凝土中的一种新型的绿色环保型增强材料。
此外，在其他实施例中，纤维并不限于上述列举的几种，在满足建筑3D打印的较好强度和泵送性能等的需求情况下，纤维还可以采用其他的类型，在此不再一一详细描述。
上述建筑3D打印材料中，消泡剂可以有效控制水泥砂浆体系内泡沫产生，使最终制得的构件更加致密光亮。减水剂是一种在维持混凝土塌落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂，大多属于阴离子表面活性剂。本发明实施例对于消泡剂和减水剂的具体类型或来源不作严格限制，消泡剂和减水剂可以采用任何能够应用于建筑3D打印材料中的消泡剂和减水剂。示例性的，消泡剂可以为混凝土专用消泡剂。减水剂可以为聚羧酸系减水剂，或者，减水剂也可以为木质素磺酸盐、β-甲基萘磺酸盐缩聚物、三聚氰胺甲醛缩聚物等等。
在一些实施例中，用于建筑3D打印的砂浆包括建筑3D打印材料(即干粉)和溶剂(如水)，水的(重量)添加量可以为建筑3D打印材料(干粉)的12％～20％，也就是溶剂与干粉的重量比可以为12％～20％，进一步可以为13％～18％，进一步可以为14％～16％。通过优化干粉与溶剂的配比，可以进一步优化水灰比，使水分含量更好地匹配3D打印对材料的塌落度和强度需求。在一些实施例中，该建筑3D打印材料，以重量百分比计，包括以下组分：水泥10％～20％、再生红砖粉20％～30％、再生红砖颗粒50％～60％、稳定剂0.02％～0.06％、粘结剂0.01％～0.05％、消泡剂0.1％～0.3％、纤维0.05％～0.2％、减水剂0～1％、硅灰0～5％、粉煤灰0～10％，矿粉0～15％和增稠剂淀粉醚0.01％～0.05％。
在本申请的一些实施例中，提供一种建筑3D打印材料的制备方法，所述建筑3D打印材料为前述的建筑3D打印材料，所述制备方法包括：
将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维和减水剂混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料。
可选的，将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维、减水剂、增稠剂和任选的活性材料如硅灰、粉煤灰或矿粉中的至少一种混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料。
该建筑3D打印材料的制备方法，将适宜含量的各组分混合均匀即可，过程简单、容易操作，适合工业化规模生产。
可选的，搅拌时间为5～90min，和/或，搅拌温度为20～50℃。实际应用中，具体的搅拌时间和搅拌温度可以根据实际情况而调节。
此外，在制备用于建筑3D打印的砂浆时，可以将上述建筑3D打印材料与水混合，搅拌均匀，即可得到用于建筑3D打印的砂浆
在本申请的一些实施例中，还提供一种如前所述的建筑3D打印材料或所述的方法在3D打印建筑物领域中的应用。
在本申请的一些实施例中，还提供一种采用如前所述的建筑3D打印材料或所述的方法制得的建筑3D打印材料打印出的3D制品。
3D制品具有和上述建筑3D打印材料相同的优势，如3D制品的强度较高、不易塌落或不易脆性破坏，粘结性能较好。
为充分说明本申请提供的建筑3D打印材料的相关性能，便于理解本发明，本申请进行了多组实验验证。下面结合具体实施例、对比例，对本发明作进一步说明。本领域的技术人员将理解，本申请中描述的仅是部分实例，其他任何合适的具体实例均在本申请的范围内。
实施例1
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥410份、再生红砖粉410份、再生红砖颗粒1230份、稳定剂0.5份、增稠剂0.3份、粘结剂0.3份、消泡剂0.12份、纤维1.5份和减水剂0.6份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤75μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤5mm的颗粒；稳定剂为HPMC纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为乳胶粉；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为耐碱短切玻璃纤维。
该建筑3D打印材料的制备方法包括：将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、增稠剂、粘结剂、消泡剂、纤维和减水剂按比例混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料。
实施例2
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥410份、再生红砖粉310份、矿粉100份、再生红砖颗粒1230份、稳定剂0.5份、增稠剂0.3份、粘结剂0.3份、消泡剂0.12份、纤维1.5份和减水剂0.6份。
其余与实施例1相同。
实施例3
本实施例的水性染料墨水按照重量百分含量包括以下组分：
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥260份、再生红砖粉460份、硅灰50份、粉煤灰28份、矿粉22份、再生红砖颗粒1230份、稳定剂0.5份、增稠剂0.3份、粘结剂0.3份、消泡剂0.12份、纤维1.5份和减水剂0.6份。
其余与实施例1相同。
实施例4
本实施例的水性染料墨水按照重量百分含量包括以下组分：
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥205份、再生红砖粉513份、硅灰102份、再生红砖颗粒1230份、稳定剂0.5份、增稠剂0.3份、粘结剂0.3份、消泡剂0.12份、纤维1.5份和减水剂0.6份。
其余与实施例1相同。
实施例5
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥300份、再生红砖粉550份、再生红砖颗粒1250份、稳定剂1.2份、增稠剂0.8份、粘结剂0.8份、消泡剂0.6份、纤维3.5份和减水剂2份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤100μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤3mm的颗粒；稳定剂为HPMC纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为乳胶粉；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为耐碱短切玻璃纤维。
实施例6
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥420份、再生红砖粉300份、硅灰30份、再生红砖颗粒1250份、稳定剂1.0份、增稠剂1.0份、粘结剂1.0份、消泡剂1.5份、纤维5份和减水剂5份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤75μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤3mm的颗粒；稳定剂为HPMC纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为乳胶粉；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为聚乙烯纤维。
实施例7
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥200份、再生红砖粉300份、再生红砖颗粒1000份、稳定剂0.2份、增稠剂0.1份、粘结剂0.1份、消泡剂0.1份、纤维1份和减水剂0.2份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤75μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤3mm的颗粒；稳定剂为木质纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为乳胶粉；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为聚丙烯纤维。
实施例8
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥250份、再生红砖粉550份、再生红砖颗粒1000份、稳定剂0.8份、增稠剂0.2份、粘结剂0.5份、消泡剂0.3份、纤维2.5份和减水剂0.8份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤75μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤3mm的颗粒；稳定剂为CMC纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为聚乙烯醇；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为耐碱短切玻璃纤维。
实施例9
本实施例的建筑3D打印材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥200份、再生红砖粉500份、矿粉50份、粉煤灰50份、再生红砖颗粒1000份、稳定剂0.8份、增稠剂0.2份、粘结剂0.5份、消泡剂0.3份、纤维2.5份和减水剂0.8份。
其中，水泥为灰水泥；再生红砖粉为将建筑废旧红砖破碎后球磨成粒径为≤75μm的粉末；再生红砖颗粒为将建筑废旧红砖破碎成粒径为≤5mm的颗粒；稳定剂为HPMC纤维素；增稠剂为淀粉醚；粘结剂为乳胶粉；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂；纤维为耐碱短切玻璃纤维。
对比例1
一种普通建筑3D打印材料，与实施例1相比，对比例1省略了再生红砖粉，其余均与实施例1相同。
对比例2
一种普通建筑3D打印材料，与实施例1相比，对比例2用普通干砂替换了再生红砖颗粒，其余均与实施例1相同。
对比例3
一种普通建筑3D打印材料，与实施例1相比，对比例2省略了再生红砖粉和再生红砖颗粒，并加入了重量份为640份的水泥和1000份的天然细砂，其余均与实施例1相同。
对比例4
一种普通建筑3D打印材料，与实施例1相比，对比例3所加入的再生红砖粉的重量份为150份，其余均与实施例1相同。
对比例5
一种普通建筑3D打印材料，与实施例1相比，对比例4所加入的再生红砖颗粒的重量份为650份，其余均与实施例1相同。
性能测试
将各实施例和对比例的建筑3D打印材料与水进行混合，形成用于建筑3D打印的砂浆，进行性能测试。其中，水的重量添加量为建筑3D打印材料的15％。
对各个用于建筑3D打印的砂浆进行取样，分别测试，其中，用于建筑3D打印的砂浆的抗压强度参照国家标准《水泥胶砂强度试验》(GB/T17071-1999)进行，塌落度的检测方法：用水泥流动度电动跳桌来测定3D打印材料的流动度，15次振动作为基本测试依据，其塌落度为140-170mm。相应的测试结果见下表1。
表1各实施例和对比例的3D打印材料的测试结果
| 编号 | 抗压强度MPa) | 塌落度(mm) |
| 实施例1 | 33.6 | 145 |
| 实施例2 | 38.5 | 140 |
| 实施例3 | 20.8 | 170 |
| 实施例4 | 25.5 | 162 |
| 实施例5 | 28.5 | 158 |
| 实施例6 | 25.6 | 160 |
| 实施例7 | 32.2 | 146 |
| 实施例8 | 28.6 | 157 |
| 实施例9 | 25.2 | 164 |
| 对比例1 | 18.7 | 182 |
| 对比例2 | 29.8 | 175 |
| 对比例3 | 28.6 | 178 |
| 对比例4 | 19.5 | 180 |
| 对比例5 | 15.6 | 185 |
从以上可以看出，本发明提供的建筑3D打印材料，将再生红砖颗粒和再生红砖粉掺入到建筑3D打印材料中，并辅以其他添加剂进行调节，使得该种材料既满足了建筑3D打印油墨可泵送性、可挤出性和可建造性的要求，又具有较高的强度，满足3D打印的塌落度和强度的要求。
综上所述，由于使用了再生红砖颗粒和再生红砖粉，一方面给建筑拆除废物—红砖的回收利用提供了新途径，极大提高了废弃红砖的利用率，另一方面大大减少了粘土的利用，减少了能源的利用，减少碳的排放，节约了自然资源，降低了生产成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种建筑3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述建筑3D打印材料以重量份计，包括以下组分：水泥200～420份、再生红砖粉300～650份、再生红砖颗粒1000～1250份、稳定剂0.2～1.2份、粘结剂0.1～1份、消泡剂0.1～1.5份、纤维0.1～5份、减水剂0～5份以及增稠剂和活性材料；其中，所述再生红砖粉的粒径小于所述再生红砖颗粒的粒径，所述再生红砖粉为微米级或纳米级，和/或，所述再生红砖颗粒为毫米级，所述再生红砖粉的粒径范围为≤75μm，所述再生红砖颗粒的粒径范围为≤3mm；所述活性材料包括硅灰、粉煤灰或矿粉中的至少一种；所述硅灰的重量份为0～150份，所述粉煤灰的重量份为0～200份，所述矿粉的重量份为0～300份；所述增稠剂包括淀粉醚；以重量份计，所述增稠剂的重量份为0.1～1份；
所述再生红砖颗粒的制备方法包括：将建筑废旧红砖进行破碎成颗粒，得到再生红砖颗粒；
在制备再生红砖粉和/或再生红砖颗粒时，包括预处理或轻物质处理步骤，以去除杂质；
所述建筑3D打印材料的制备方法包括：
将水泥、再生红砖粉、再生红砖颗粒、稳定剂、粘结剂、消泡剂、纤维、减水剂、增稠剂和任选的活性材料混合并搅拌至均匀，得到建筑3D打印材料；搅拌时间为5～90min，和/或，搅拌温度为20～50℃；
所述建筑3D打印材料的抗压强度范围为20.8～38.5MPa；塌落度范围为140～170mm。
2.根据权利要求1所述的建筑3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐水泥或铝酸盐改性硅酸盐水泥中的至少一种；所述水泥为白水泥和/或灰水泥，优选为灰水泥；所述稳定剂包括硅藻土、甲基羟乙基纤维素醚、甲基纤维素、甲基羟丙基纤维素醚、木质纤维素、CMC纤维素或HPMC纤维素中的至少一种，优选为HPMC纤维素；所述粘结剂包括乳胶粉、树脂或聚乙烯醇中的至少一种，优选为乳胶粉；所述纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、耐碱玻璃纤维、耐碱短切玻璃纤维或玄武岩纤维中的至少一种，优选为耐碱短切玻璃纤维。
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