CN110105029B - 一种用于3d打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法和应用，属于新型建筑墙体材料技术领域。本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其原材料包括如下质量百分比的组分：复合水泥50‑80％，填料10‑20％，中空玻化微珠5‑21％，膨胀蛭石粉0.2‑0.4％，秸秆纤维0.1‑0.3％，仿钢纤维0.05‑0.4％，复合渗透剂1.8‑5.3％，固化剂0.2‑2％，消泡剂0.1‑0.5％，可再分散乳胶粉0.3‑0.7％，减水剂0.5‑0.8％。采用本发明的技术方案可以在保证砂浆防水保温性能的基础上，有效提高其力学性能及流动性和固化速率，从而满足3D打印建筑的需求。
Description
技术领域
本发明属于新型建筑墙体材料技术领域，尤其是涉及一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
近年来国家对节约能源，改善居住条件非常重视，建筑节能是我国节能工作的一个重要领域。十七大报告中提出了“建设生态文明，必须形成有利于节约能源资源和保护生态环境的城乡建设模式和消费模式”，2005年以来，国家有关部门出台的一系列文件对建筑节能提出了新的要求，新建建筑要向强制执行国家已颁布的建筑节能设计标准推进，逐步提高新型墙体材料的生产和应用比例，增加节能建筑面积。新建建筑严格执行建筑设计标准，有条件的城市率先执行节能率65％的标准。但现有自保温砌块通常存在设备投资过大、人工成本高、能源消耗高、环境污染严重、施工工艺复杂、施工工期长、造价偏高、冷热桥较多等各种弊端。
3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生了巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。以3D打印为基础的3D打印混凝土技术作为一种新型技术，是混凝土发展史上的一个重大转折点。3D打印墙体由于墙体质量好、施工速度快、节约工期、造价适中、整体性好而得到快速发展。其中砂浆是3D打印墙体材料中的核心材料之一，为满足3D打印的需求，相对于现有普通砂浆而言除了要求内外墙体要具有更好的防水效果，同时对3D打印用砂浆的强度等力学性能以及砂浆的流动性和固化速率也提出了更高的要求，也即要求3D打印用砂浆在泵送管内流动状态好，而从打印头打印出来后，则能够迅速进行固化。
基于以上现状，目前许多研究者着力于3D打印建筑用砂浆的研究。如，中国专利申请号为201610614696.6的申请案公开了一种可用于3D建筑打印的新型高强高韧防水砂浆材料及其制备方法，该申请案的防水砂浆材料由水泥、砂子、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、HPMC纤维素、粉煤灰、减水剂、消泡剂、引气剂、有机硅防水剂、可再分散乳胶粉以及水组成。该申请案在一定程度上能够提高3D建筑打印用砂浆材料的力学强度和防水性能，但所得砂浆的流动性及固化速率可控性仍有待进一步改善。
又如，中国专利申请号为201610307917.5的申请案公开了一种3D打印砂浆及其制备方法，该申请案的3D打印砂浆主要由复配水泥70％-90％，石英砂5％-20％，石灰0.2％-2％，促凝剂1％-5％，减水剂0％-3％，消泡剂0％-3％，增稠剂0％-0.5％和纤维0.2-0.8％组成，该申请案通过对砂浆的组分配方进行优化设计，从而可以有效提高砂浆的流动性能及施工性能，但其防水保温性能仍有待进一步提高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有砂浆难以同时满足3D打印建筑对防水性能、力学性能及流动、固化要求的不足，提供了一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法。采用本发明的技术方案可以在保证砂浆防水保温性能的基础上，有效提高其力学性能及流动性和固化速率，从而满足3D打印建筑的需求。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
其一，本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其原材料包括如下质量百分比的组分：
更进一步的，所述的复合水泥由低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥组成，其中超细水泥占复合水泥总量的30-55％。
更进一步的，所述超细水泥的平均粒径为1-4μm，其中85％以上颗粒的尺寸在4μm以下，其比表面积为1200-2200m2/kg。
更进一步的，所述的填料采用铁尾矿渣微粉、高炉矿渣微粉或铅锌尾矿渣微粉，其粒径为3.5μm-7.5μm，所述中空玻化微珠的粒径为0.8-2.5mm，密度为50-200kg/m3，所述膨胀蛭石粉的粒径为0.3-0.6mm，密度为60-180kg/m3。
更进一步的，所述秸秆纤维的长度为1-1.7mm，密度为400-500kg/m3，所述仿钢纤维的长度为3-8mm，密度为0.7-0.85g/cm3，初始模量为9-12GPa，断裂伸张率为32％-38％。
更进一步的，所述的复合渗透剂由乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石组成，其中乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的质量比为(2-3):1:(2-2.5)。
更进一步的，所述的固化剂由多硫醇和氧化钙组成，多硫醇与氧化钙的质量比为4:1-6:1，且固化剂的含量为复合水泥总量的0.5-2％。
更进一步的，所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉；所述减水剂为聚羧酸系减水剂或脂肪族羟基磺酸盐缩合物高效减水剂。
其二，本发明的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，包括以下步骤：将低碱度硫铝酸盐水泥、超细水泥置于搅拌设备内搅拌3～5分钟，然后按质量配比向其中加入填料、中空玻化微珠、膨胀蛭石粉继续搅拌5～7分钟，之后再投入可再分散乳胶粉搅拌2～4分钟；继续向搅拌设备中投入复合渗透剂、消泡剂和减水剂，搅拌7～10分钟；最后投入仿钢纤维和秸秆纤维，继续搅拌9～12分钟，即得到防水保温砂浆干粉料。
其三，本发明的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的应用，将所述防水保温砂浆直接应用于3D打印建筑，具体的，将防水保温砂浆干粉料与固化剂一起投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1～3，优选为1:1.6，加水搅拌至稠度为85～102mm，优选稠度为96mm。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，通过对其原料组分及配比进行优化设计，从而一方面可以提高砂浆的防水抗渗性能，满足建筑内外墙面对防水、抗渗性能的需求，另一方面可以有效改善砂浆的流动性能，实现砂浆的快速固化及可控，进而满足对3D打印建筑的使用需求。
(2)本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其复合水泥由低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥组成，通过低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥的复配，并对其复配比例进行优化设计，从而可以同时满足3D打印建筑用砂浆对强度及防渗性能的要求。同时，通过添加特定组成和配比的固化剂，通过该固化剂与超细水泥的共同和协调作用，既能够实现无机和有机成分的快速固化且可控，并保证砂浆材料前期定形的稳固性，同时还能够有效实现砂浆后期强度的快速稳定增长，保证后续打印质量。
(3)本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，通过向其中添加膨胀蛭石粉和中空玻化微珠，并对填料、中空玻化微珠与蛭石粉的粒度分配进行优化设计，通过三者之间的良好颗粒级配，从而可以有效提高砂浆的强度及强度稳定性。
(4)本发明的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，通过向其中添加复合渗透剂，并对其组分组成和配比进行优化设计，通过乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的复合作用，并与复合水泥及填料一起作用，从而可以进一步提高砂浆的抗渗防水性能，使其防水效果与机械强度达到最佳配合。另外，本发明通过添加特定种类的减水剂，减水效果较好，不引气，对凝结时间基本没影响，同时与水泥的适应性很好，能与其他各种外加剂复合使用。
(5)本发明的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，通过对防水保温砂浆的组分、配比及具体制备工艺进行优化设计，从而可以在满足建筑用砂浆对防水保温效果要求的基础上，有效改善砂浆的流动性能，提高其固化速率，并进一步提高其力学性能，进而能够满足3D打印建筑的使用需求。
附图说明
图1为本发明各实施例及对比例中砂浆的性能对比数据。
具体实施方式
本发明通过对砂浆材料的原料组成及配比进行优化设计，从而可以有效解决现有砂浆难以同时满足3D打印建筑对防水抗渗性能、力学性能及流动、固化要求的问题。具体的，通过乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的复合添加，从而可以有效提高砂浆材料的双面防水、抗渗性能，同时该复合渗透剂与填料和低碱度硫铝酸盐水泥/超细水泥复配水泥的共同作用，还可以有效提高所得砂浆材料的强度，保证其防水性能与机械强度的最佳配合。另外，本发明通过向砂浆原料中添加特定种类和含量的固化剂，从而既能够实现无机和有机成分的快速固化且可控，并保证砂浆材料前期定形的稳固性，同时通过固化剂与超细水泥的共同作用还能够有效实现砂浆后期强度的快速稳定增长，保证后续打印质量。本发明的固化剂可在3～6min起固化塑形作用，其使用最低温度为-5℃，氧化钙与水反应发热起到辅助快速固化作用，同时对复合渗透剂的防水抗渗性能也有辅助加强作用。
本发明的填料采用铁尾矿渣微粉、高炉矿渣微粉或铅锌尾矿渣微粉，其粒径为3.5μm-7.5μm，中空玻化微珠的粒径为0.8-2.5mm，密度为50-200kg/m3，膨胀蛭石粉的粒径为0.3-0.6mm，密度为60-180kg/m3，通过填料、中空玻化微珠与膨胀蛭石粉的粒径分布优化，从而可以进一步提高砂浆的强度及强度稳定性。
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其原材料包括如下质量百分比的组分：
本实施例的复合水泥由低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥组成，超细水泥占复合水泥总量的30％，所述的复合渗透剂由乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏组成，其中乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的质量比为2:1:2；所述的固化剂由多硫醇和氧化钙组成，多硫醇与氧化钙的质量比为4:1，且固化剂的含量为复合水泥总量的0.5％。所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉；所述减水剂为聚羧酸系减水剂，所述的填料采用铁尾矿渣微粉。
本实施例的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，包括以下步骤：将低碱度硫铝酸盐水泥、超细水泥置于搅拌设备内搅拌3分钟，然后按质量配比向其中加入填料、中空玻化微珠、膨胀蛭石粉继续搅拌7分钟，之后再投入可再分散乳胶粉搅拌4分钟；继续向搅拌设备中投入复合渗透剂、消泡剂和减水剂，搅拌7分钟；最后投入仿钢纤维和秸秆纤维，继续搅拌12分钟，即得到防水保温砂浆干粉料。
将本实施例所得防水保温砂浆直接应用于3D打印建筑，具体的，将防水保温砂浆干粉料与固化剂一起投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:3，加水搅拌至稠度为102mm。
实施例2
本实施例的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其原材料包括如下质量百分比的组分：
本实施例的复合水泥由低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥组成，超细水泥占复合水泥总量的43％，所述的复合渗透剂由乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏组成，其中乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的质量比为3:1:2.5；所述的固化剂由多硫醇和氧化钙组成，多硫醇与氧化钙的质量比为5:1，且固化剂的含量为复合水泥总量的1.3％。所述醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉，所述减水剂为脂肪族羟基磺酸盐缩合物高效减水剂，所述的填料采用高炉矿渣微粉。
本实施例的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，包括以下步骤：将低碱度硫铝酸盐水泥、超细水泥置于搅拌设备内搅拌5分钟，然后按质量配比向其中加入填料、中空玻化微珠、膨胀蛭石粉继续搅拌5分钟，之后再投入可再分散乳胶粉搅拌2分钟；继续向搅拌设备中投入复合渗透剂、消泡剂和减水剂，搅拌10分钟；最后投入仿钢纤维和秸秆纤维，继续搅拌9分钟，即得到防水保温砂浆干粉料。
将本实施例所得防水保温砂浆直接应用于3D打印建筑，具体的，将防水保温砂浆干粉料与固化剂一起投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1，加水搅拌至稠度为85mm。
实施例3
本实施例的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其原材料包括如下质量百分比的组分：
本实施例的复合水泥由低碱度硫铝酸盐水泥和超细水泥组成，超细水泥占复合水泥总量的55％，所述的复合渗透剂由乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏组成，其中乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的质量比为2.5:1:2.2；所述的固化剂由多硫醇和氧化钙组成，多硫醇与氧化钙的质量比为6:1，且固化剂的含量为复合水泥总量的2％。所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉，所述减水剂为聚羧酸系减水剂，所述的填料采用铅锌尾矿渣微粉。
本实施例的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，包括以下步骤：将低碱度硫铝酸盐水泥、超细水泥置于搅拌设备内搅拌4分钟，然后按质量配比向其中加入填料、中空玻化微珠、膨胀蛭石粉继续搅拌6分钟，之后再投入可再分散乳胶粉搅拌3分钟；继续向搅拌设备中投入复合渗透剂、消泡剂和减水剂，搅拌8分钟；最后投入仿钢纤维和秸秆纤维，继续搅拌10分钟，即得到防水保温砂浆干粉料。
将本实施例所得防水保温砂浆直接应用于3D打印建筑，具体的，将防水保温砂浆干粉料与固化剂一起投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1.6，加水搅拌至稠度为96mm。
对比例1：
本对比例的砂浆中各组分的重量百分数如下：
上述复合渗透剂包括氢氧化钙、羟乙二胺四醋酸和粉状速溶氟硅酸钠，其重量百分比分别为1.2％、1.4％和0.6％，填料和固化剂的组成与实施例1相同。
对比例2：
本对比例各组分的重量百分数为：
本对比例的填料、复合渗透剂、消泡剂及减水剂的种类均同实施例2。
对比例3：
本对比例各组分的重量百分数为：
本对比例的填料、固化剂、消泡剂及减水剂的种类均同实施例3。
实施例1-3及对比例1-3中砂浆的性能对比数据如图1所示，由图1可以看出，通过采用本发明的砂浆配方，可以同时满足3D建筑打印对防水抗渗性能、机械性能和固化速度的要求。
Claims (9)
1.一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其特征在于，其原材料包括如下质量百分比的组分：
所述的复合渗透剂由乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏组成，其中乙二胺四乙酸钙钠、铸石粉和β型半水石膏的质量比为(2-3):1:(2-2.5)。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其特征在于：所述的填料采用铁尾矿渣微粉、高炉矿渣微粉或铅锌尾矿渣微粉，其粒径为3.5μm-7.5μm，所述中空玻化微珠的粒径为0.8-2.5mm，密度为50-200kg/m3，所述膨胀蛭石粉的粒径为0.3-0.6mm，密度为60-180kg/m3。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其特征在于：所述秸秆纤维的长度为1-1.7mm，密度为400-500kg/m3，所述仿钢纤维的长度为3-8mm，密度为0.7-0.85g/cm3，初始模量为9-12GPa，断裂伸张率为32％-38％。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其特征在于：所述的固化剂由多硫醇和氧化钙组成，多硫醇与氧化钙的质量比为4:1-6:1，且固化剂的含量为复合水泥总量的0.5-2％。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于3D打印建筑的防水保温砂浆，其特征在于：所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯酯共聚胶粉；所述减水剂为聚羧酸系减水剂或脂肪族羟基磺酸盐缩合物高效减水剂。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将复合水泥置于搅拌设备内搅拌3～5分钟，然后按质量配比向其中加入填料、中空玻化微珠、膨胀蛭石粉继续搅拌5～7分钟，之后再投入可再分散乳胶粉搅拌2～4分钟；继续向搅拌设备中投入复合渗透剂、消泡剂和减水剂，搅拌7～10分钟；最后投入仿钢纤维和秸秆纤维，继续搅拌9～12分钟，即得到防水保温砂浆干粉料。
7.一种如权利要求1-5中任一项所述的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的应用，其特征在于：将所述防水保温砂浆直接应用于3D打印建筑，具体的，将防水保温砂浆干粉料与固化剂一起投入自动搅拌喷涂一体化设备中，搅拌4-5分钟，再加适量水搅拌后进行喷涂施工即可，其中加水量与干粉料的重量比为1:1～3，加水搅拌至稠度为85～102。
8.根据权利要求7所述的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的应用，其特征在于：加水量与干粉料的重量比为1:1.6。
9.根据权利要求7所述的用于3D打印建筑的防水保温砂浆的应用，其特征在于：加水搅拌至稠度为96进行喷涂。
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