CN111807790A

CN111807790A - 一种用于建筑3d打印的橡胶粉超高延性砂浆及制备

Info

Publication number: CN111807790A
Application number: CN202010735725.0A
Authority: CN
Inventors: 余江滔; 叶俊宏
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN111807790B

Abstract

本发明涉及一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆及其制备，该砂浆材料包括以下重量份数的原料组分：水泥400～800份，硅灰100～200份，粉煤灰400～800份，砂80～400份，橡胶粉20～120份，减水剂1～4份，水300～390份，聚乙烯纤维10～20份。与现有技术相比，本发明通过配方的优化设计，进一步提升3D打印橡胶粉砂浆材料的超高延性和高耗能能力，从而实现无筋的建筑3D打印。

Description

一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆及制备

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆及制备。

背景技术

在过去的十几年里，由于中国建筑行业的巨大需求，大量农民工涌入建筑市场，这使得作为人口密集型产业的中国建筑业取得了长足的发展。然而，随着日益严峻的人口老龄化问题，建筑业等人口密集型产业面临着劳动力供应不足以及劳动力昂贵等挑战。再加上建筑行业特殊的高强度、高危险的工作环境和生活环境以及建筑工人社会福利和保障制度与其他行业相差太大，建筑行业的“用工荒”、“豆腐渣工程”等问题将不断涌现。因此，建筑行业必须想着机械化、标准化的方向发展。

同时，近十年来中国轮胎产量已经连续位居世界前列，每年产生的废弃轮胎也是全首位。这预示着，中国废橡胶和废旧轮胎的产生量以后会越来越多。近年来由废旧轮胎引发的一些问题屡见不鲜，比如由长期大量堆积的废旧轮胎导致的火灾，环境的影响问题，这是一个关乎人类生存环境的大问题。因此如何将废弃轮胎如何再利用起来，是未来绿色环保的发展趋势。

近年来，刚兴起的建筑3D打印技术具有施工速度快，不需大量模板和劳动力以及特殊建筑场所等明诸多优点，将是未来建筑行业的一个发展趋势。但现阶段的建筑3D打印技术仍处于起步阶段，仍停留在墙体或者外模板的打印，要实现梁、板、壳体等结构的打印，仍需有底模板的配合使用。同时，若要满足极限承载力的需求，仍需配置一定量的钢筋。本发明正是基于上述问题而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆及制备，以解决现阶段建筑3D打印技术的仍处于轮廓工艺、普通建筑3D打印砂浆材料抗拉性能差、无法完全脱离钢筋束缚的问题，为真正的建筑3D打印无筋建造提供可行性方案。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，包括以下重量份数的原料组分：水泥400～800份，硅灰100～200份，粉煤灰400～800份，砂80～400份，橡胶粉20～80份，减水剂1～4份，水300～390份，聚乙烯纤维10～20份。

进一步的，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，且其28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m²/kg。

进一步的，所述的硅灰的比表面积为20-25m²/g，其SiO₂的质量含量≥90％。

进一步的，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m²/kg，密度为2.6g/cm³。

进一步的，所述的砂的粒径为0.1～0.5mm，其SiO₂的质量含量≥99％。

进一步的，所述的减水剂为非缓凝型聚羧酸减水剂，其固体含量为40～50％，减水率≥40％。

进一步的，所述的橡胶粉的粒径为0.12mm～0.38mm，密度为0.9g/cm³。

进一步的，所述的聚乙烯纤维的直径为22～27μm，长度为6～18mm，长径比＞200，断裂延伸率为2～3％，抗拉强度为3000MPa。

本发明的技术方案之二提供了一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取水泥、硅灰、粉煤灰、砂、橡胶粉、减水剂加入搅拌机中，充分混合均匀；

(2)再往搅拌机中加入水，充分混合均匀；

(3)继续往搅拌机中加入聚乙烯纤维，搅拌均匀，即得到目的产物。

进一步的，步骤(1)中，搅拌过程具体为：在100rpm的转速下干粉搅拌1-2min。

进一步的，步骤(2)中，搅拌过程具体为：先在100rpm的转速下慢速搅拌至液化，再于在500rpm的转速下快速搅拌1～2min。

进一步的，步骤(3)中，搅拌过程具体为：先在100rpm的转速下搅拌的同时缓慢掺入纤维，掺入纤维后再于500rpm的转速下快速搅拌2～3min。

本发明的砂浆配方中，硅灰作为活性掺料，对于该材料在硬化后的长期强度方面有极大的提升，同时为实现可打印性，减水剂用量较少，这使得基体材料的断裂韧度提升，其断裂韧度的提升是不利于该材料在拉伸荷载作用呈多缝开裂的状态，因此掺入了橡胶粉对其基体强度进行调节，过少的橡胶粉掺量对基体材料断裂韧度的降低不明显，过多的橡胶粉掺量对基体材料的断裂韧度降低也会过大，因此其掺量必须限制在本发明限定范围内。橡胶粉的掺入，使得该材料在不添加其他过多外加剂的情况下，同时实现了超高的抗拉性能和可打印性能，且制备方式简单，工作性能良好，拉伸强度及延伸率较传统的超高性能砂浆均有明显提高，但需要注意的是，该材料的原料加料次序和搅拌质量对其后续的打印性能和力学性能有极大的影响，不正确的加料次序可能导致材料液化困难、纤维分散不均匀等，因此必须按照本发明限定的搅拌方法进行制备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)该橡胶粉超高延性砂浆是一种基于纤维增强水泥基复合材料，进行配比优化设计，在实现超高拉伸延性、弯曲强度的同时还满足了建筑3D打印材料对的高触变性和可打印性要求，其抗压强度可达到80MPa，单轴拉伸强度可达到8MPa，单轴拉伸延性保持在7％～11％；

2)该橡胶粉超高延性砂浆中使用的橡胶粉，是利用废旧轮胎加工而成的橡胶粉末，绿色环保，经济成本低；

3)该橡胶粉超高延性砂浆具有良好的早期强度、微裂缝分布能力及耗能能力，可用于无筋的建筑3D打印；

4)该橡胶粉超高延性砂浆制备方法简单，原料来源广泛，工作性能好，适用于大规模建筑3D打印应用。

附图说明

图1为实施例1的单轴拉伸应力应变图；

图2为实施例2的单轴拉伸应力应变图；

图3为实施例3的单轴拉伸应力应变图；

图4为对比例的单轴拉伸应力应变图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规技术。

实施例1：

一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆材料，该材料包括以下组分及重量份含量：水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉50份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份，其中聚乙烯纤维长度平均为12mm，长径比约为400。

本实施例的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的优选制备过程如下：

(1)按以下重量份数称取各原料：

水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉30份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份；

(2)将水泥、硅灰、粉煤灰、砂、橡胶粉、减水剂加入搅拌机中，干粉搅拌1～2min，慢速搅拌，充分混合均匀；

(3)将水加入搅拌机中，慢速搅拌至液化后，快速搅拌1～2min，充分混合均匀；

(4)将聚乙烯纤维，加入搅拌机中，慢速搅拌至纤维分散均匀，然后快速搅拌2～3min，充分搅拌均匀后即得到所述的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆材料。

本实施例用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的抗压和抗折强度参照国家标准《水泥胶砂强度试验》(GB/T 17071-1999)进行，其抗压强度为53.45MPa，抗折强度为18.77MPa，抗拉试验采用哑铃型试件，参照行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461-2018)进行，其抗拉强度为7.99MPa，拉伸应变为9.66％，哑铃型试件标距段内的裂缝数量为60条，平均裂缝宽度为0.128mm。

实施例2

一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆材料，该材料包括以下组分及重量份含量：水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉50份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份，其中聚乙烯纤维长度约为12mm，长径比约为400。

本实施例用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备过程如下：

(1)按以下重量份数称取各原料：

水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉50份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份；

本实施例用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的抗压和抗折强度参照国家标准《水泥胶砂强度试验》(GB/T 17071-1999)进行，其抗压强度为52.36MPa，抗折强度为21.03MPa，抗拉试验采用哑铃型试件，参照行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461-2018)进行，其抗拉强度为7.83MPa，拉伸应变为9.56％，哑铃型试件标距段内的裂缝数量为58条，平均裂缝宽度为0.133mm。

实施例3

一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆材料，该材料包括以下组分及重量份含量：水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉80份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份，其中聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为400。

(1)按以下重量份数称取各原料：

水泥650份，硅灰120份，粉煤灰600份，砂250份，橡胶粉80份，减水剂2份，水360份，聚乙烯纤维20份；

本实施例用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的抗压和抗折强度参照国家标准《水泥胶砂强度试验》(GB/T 17071-1999)进行，其抗压强度为44.21MPa，抗折强度为16.45MPa，抗拉试验采用哑铃型试件，参照行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461-2018)进行，其抗拉强度为7.71MPa，拉伸应变为9.24％，哑铃型试件标距段内的裂缝数量为66条，平均裂缝宽度为0.112mm。

对比例1：

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了省去了橡胶粉这一组分。

本对比例中配制的砂浆的抗压和抗折强度参照国家标准《水泥胶砂强度试验》(GB/T 17071-1999)进行，其抗压强度为53.24MPa，抗折强度为21.26MPa，抗拉试验采用哑铃型试件，参照行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T2461-2018)进行，其抗拉强度为8.08MPa，拉伸应变为6.95％，哑铃型试件标距段内的裂缝数量为66条，平均裂缝宽度为0.162mm。

图1～4分别为实施例1～3以及对比例1的单轴拉伸应力应变图，从图中可知，掺入橡胶粉后砂浆材料的拉伸应变能力有明显的提升，从6.95％最大提升到了9.66％，对比其裂缝数量和裂缝宽度可知，实施例1～3中砂浆材料的裂缝宽度均明显小于对比例，对比例1中砂浆材料的裂缝数量明显少于实施例1～3，其6.95％的拉伸应变能力主要是靠更宽的裂缝宽度实现，而不是更多的裂缝数量，而较宽的裂缝对结构的耐久性有着极大的影响，因此橡胶粉的掺入十分有必要。但需要注意的是，实施例3中的砂浆材料的抗压强度明显低于对比例，下降了近25％，这说明过多的橡胶粉掺入对于砂浆材料的强度有明显影响，因此橡胶粉掺量必须被限定在本发明要求的范围内，方能实现超高的抗拉应变能力。

实施例4：

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例的原料配方调整如下：水泥400份，硅灰100份，粉煤灰400份，砂80份，橡胶粉20份，减水剂1份，水300份，聚乙烯纤维10份。

实施例5：

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例的原料配方调整如下：水泥800份，硅灰200份，粉煤灰800份，砂400份，橡胶粉60份，减水剂4份，水390份，聚乙烯纤维20份。

实施例6：

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例的原料配方调整如下：水泥400份，硅灰150份，粉煤灰500份，砂300份，橡胶粉30份，减水剂2份，水300份，聚乙烯纤维15份。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，包括以下重量份数的原料组分：水泥400～800份，硅灰100～200份，粉煤灰400～800份，砂80～400份，橡胶粉20～80份，减水剂1～4份，水300～390份，聚乙烯纤维10～20份。

2.根据权利要求1所述的一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，且其28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m²/kg。

3.根据权利要求1所述的一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，所述的硅灰的比表面积为20～25m²/g，其SiO₂的质量含量≥90％；

所述的粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m²/kg，密度为2.6g/cm³。

4.根据权利要求1所述的一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，所述的砂的粒径为0.1～0.5mm，其SiO₂的质量含量≥99％；

所述的减水剂为非缓凝型聚羧酸减水剂，其固体含量为40～50％，减水率≥40％。

5.根据权利要求1所述的一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，所述的橡胶粉的粒径为0.12mm～0.38mm，密度为0.9g/cm³。

6.根据权利要求1所述的一种用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆，其特征在于，所述的聚乙烯纤维的直径为22～27μm，长度为6～18mm，长径比＞200，断裂延伸率为2～3％，抗拉强度为3000MPa。

7.如权利要求1-6任一所述的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)再往搅拌机中加入水，充分混合均匀；

8.根据权利要求7所述的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，搅拌过程具体为：在100rpm的转速下干粉搅拌1～2min。

9.根据权利要求7所述的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌过程具体为：先在100rpm的转速下慢速搅拌至液化，再于在500rpm的转速下快速搅拌1～2min。

10.根据权利要求7所述的用于建筑3D打印的橡胶粉超高延性砂浆的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，搅拌过程具体为：先在100rpm的转速下搅拌的同时缓慢掺入纤维，掺入纤维后再于500rpm的转速下快速搅拌2～3min。