CN115140988A - 轻质高韧性的水泥基材料及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻质高韧性的水泥基材料及其制备方法、应用，涉及建筑材料的技术领域，包括按重量份数计的以下组分：硅酸盐水泥500～800份、硫铝酸盐水泥50～80份、硅灰150～240份，粉煤灰1250～2000份、砂300～500份、橡胶粉30～60份、减水剂1～4份、消泡剂1～4份、水200～350份，以及聚乙烯纤维10～20份。本发明解决了3D打印的水泥基材料自重大、拉伸能力差、延展性差以及3D打印的构件容易变形和尺寸精度低的技术问题，达到了通过组分及其配方的优化设计以减轻打印材料自重、提高3D打印精度、提高3D打印的抗拉强度和弹性模量、提升纤维的增韧效果以及节约成本的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料的技术领域，尤其是涉及一种轻质高韧性的水泥基材料及其制备方法、应用。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属、树脂以及尼龙等各种材料，通过逐层打印的方式来构造物体空间形态的快速成型技术。由于其在制造工艺方面的创新，因此被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术正在被应用于越来越多的领域，同时在打印房屋的应用中也得到了突破。新型和智能化的建筑3D打印技术在行业内的关注度不断提高，其在自由度、个性化创造、原材料利用率以及省工等多个方面均具有优势，因此在未来具有很大的发展应用前景。然而，3D打印技术要实现在建筑行业中的完全应用也面临着众多挑战，其中的打印材料一直制约着其在建筑行业中的发展。
3D打印工艺通过分层加工和叠加成型的方式实现建筑物的打印建造，然而随着打印层的增加，下部打印层承受的重量逐渐增大，会导致一定的变形，进而影响打印尺寸的精度。因此，如何实现3D打印材料的轻质化是急需解决的问题。另外，普通的3D打印水泥基材料的拉伸能力和延展性较差，阻碍了3D打印技术在建筑领域更大范围内的应用，所以需要进一步提高3D打印水泥基材料的性能。
目前，对于3D打印技术，传统的加固方式为布置钢筋，这大大降低了3D打印技术的自动化率，使得3D打印工艺变得复杂，大大降低了3D打印的效率。研究人员发现在3D打印的水泥基材料中掺入一定量的纤维材料能够有效约束3D打印混凝土构件的变形，有效降低其受压时的脆性，提高打印混凝土的抗拉强度和弹性模量，同时改善材料受压时的破坏形态，大幅度提高建筑物在抗震和安全性方面的性能。然而，由于3D打印技术对材料有较高的工作性能要求，因此对于纤维材料的掺量和长度均有一定的限制，从而限制了纤维材料对3D打印水泥基材料的增强效果。
近年来，随着橡胶行业的快速发展，废弃橡胶的数量急剧增长，其具有“不溶和难熔”的特点，在自然条件下难降解，露天堆放又会占用大量土地，并且危害环境。目前，废弃橡胶综合利用的措施主要包括翻新、原型改制、热能利用、热分解、生产再生胶和橡胶粉等。翻新和原型改制虽然延长了橡胶制品的使用寿命，但是并未能真正解决问题；热能利用过程中产生的黑烟含有大量污染物和有毒物质，严重影响能见度和空气质量；废弃橡胶热分解后虽然可得到燃油、可燃气体以及碳黑等产品，但耗能大、污染重、产品质量差，已经被各国逐渐禁止。因此，如何充分发挥橡胶的特性，实现废弃橡胶的高附加值利用，减少废弃橡胶对环保的不利影响是急需解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种轻质高韧性的水泥基材料，具有轻质和高韧性的特点，拉伸能力强和延展性佳，能够提高打印精度和增韧效果。
本发明的目的之二在于提供一种轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，工艺简单且高效。
本发明的目的之三在于提供一种轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用，能够解决3D打印的构件容易变形和尺寸精度低的技术问题，并且能够提高3D打印的抗拉强度和弹性模量。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，一种轻质高韧性的水泥基材料，包括按重量份数计的以下组分：
硅酸盐水泥500～800份、硫铝酸盐水泥50～80份、硅灰150～240份，粉煤灰1250～2000份、砂300～500份、橡胶粉30～60份、减水剂1～4份、消泡剂1～4份、水200～350份，以及聚乙烯纤维10～20份。
进一步的，所述硅酸盐水泥的3天抗压强度在28.9MPa以上；
优选地，所述硅酸盐水泥的3天抗折强度在5.7MPa以上；
优选地，所述硅酸盐水泥的比表面积在363m2/kg以上；
优选地，所述硫铝酸盐水泥的烧失量为0.20-0.30，优选为0.22。
进一步的，所述硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm；
优选地，所述硅灰的SiO2的质量含量在95％以上；
优选地，所述粉煤灰包括一级粉煤灰；
优选地，所述粉煤灰的比表面积在700m2/kg以上；
优选地，所述粉煤灰的密度为2.0-3.0g/cm3，优选为2.6g/cm3。
进一步的，所述砂包括石英砂；
优选地，所述砂的粒径为70～150目；
优选地，所述砂的SiO2的质量含量在99％以上；
优选地，所述橡胶粉的粒径为60～100目；
优选地，所述橡胶粉的密度为0.7-1.2g/cm3，优选为0.9g/cm3；
优选地，所述聚乙烯纤维的长度为9-15mm，优选为12mm；
优选地，所述聚乙烯纤维的断裂延伸率为2～3％；
优选地，所述聚乙烯纤维的抗拉强度为2500-3500MPa，优选为3000MPa；
优选地，所述橡胶粉包括改性后的橡胶粉；
优选地，所述改性后的橡胶粉的制备方法包括以下步骤：
采用碱溶液对橡胶粉进行浸泡处理，得到改性后的橡胶粉；
优选地，所述碱溶液包括NaOH溶液；
优选地，所述碱溶液的质量浓度为10-20％，优选为15％。
进一步的，所述减水剂包括聚羧酸减水剂；
优选地，所述聚羧酸减水剂的减水率在40％以上。
第二方面，提供了一种上述任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例将各组分混合，得到所述轻质高韧性的水泥基材料。
进一步的，所述制备方法包括以下步骤：
硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、砂、橡胶粉、减水剂、以及消泡剂混合后，再加入水混合，之后再加入聚乙烯纤维混合，得到所述轻质高韧性的水泥基材料。
进一步的，所述加入水的方式包括将水分为若干份后依次加入；
优选地，所述将水分为若干份后依次加入的方法包括以下步骤：
在第一低转速的状态下将若干份的水依次加入并混合，再调整为第一高转速的状态进行混合；
其中，所述第一低转速为80-120rpm，优选为100rpm；
所述第一高转速为450-550rpm，优选为500rpm。
进一步的，所述加入聚乙烯纤维的方式包括将聚乙烯纤维分为若干份后依次加入；
优选地，所述将聚乙烯纤维分为若干份后依次加入的方法包括以下步骤：
在第二低转速的状态下将若干份的聚乙烯纤维依次加入并混合，再调整为第二高转速的状态进行混合；
其中，所述第二低转速为80-120rpm，优选为100rpm；
所述第二高转速为450-550rpm，优选为500rpm。
第三方面，一种上述任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料，是基于纤维增强水泥基的复合材料，通过组分及其配方的优化设计，以橡胶粉替换一部分砂的用量，在一定程度上减轻了水泥基材料的自重，从而减小了水泥基材料在实际应用于3D打印过程中因逐层堆积而产生的不利变形，提高了3D打印精度；同时，橡胶粉也能够促进聚乙烯纤维对水泥基材料的增韧效果，在一定程度上减少了纤维用量，降低了成本，另外也缓解了过多的聚乙烯纤维所导致的打印管道堵塞和影响打印性能的问题。
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，工艺简单且高效。
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用，能够解决3D打印的构件容易变形和尺寸精度低的技术问题，并且能够提高3D打印的抗拉强度和弹性模量，因此工作性能好，适用于大规模的建筑3D打印应用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。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。
根据本发明的第一个方面，提供了一种轻质高韧性的水泥基材料，包括按重量份数计的以下组分：
硅酸盐水泥500～800份、硫铝酸盐水泥50～80份、硅灰150～240份，粉煤灰1250～2000份、砂300～500份、橡胶粉30～60份、减水剂1～4份、消泡剂1～4份、水200～350份，以及聚乙烯纤维10～20份。
在本发明中，硅酸盐水泥典型但非限制性的重量份数例如为500份、550份、600份、650份、700份、750份、800份；硫铝酸盐水泥典型但非限制性的重量份数例如为50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份；硅灰典型但非限制性的重量份数例如为150份、180份、200份、220份、240份；粉煤灰典型但非限制性的重量份数例如为1250份、1300份、1350份、1400份、1450份、1500份、1550份、1600份、1650份、1700份、1750份、1800份、1850份、1900份、1950份、2000份；砂典型但非限制性的重量份数例如为300份、350份、400份、450份、500份；橡胶粉典型但非限制性的重量份数例如为30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份；减水剂典型但非限制性的重量份数例如为1份、2份、3份、4份；消泡剂典型但非限制性的重量份数例如为1份、2份、3份、4份；水典型但非限制性的重量份数例如为200份、220份、240份、260份、280份、300份、320份、340份、350份；聚乙烯纤维典型但非限制性的重量份数例如为10份、12份、14份、16份、18份、20份。
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料，是基于纤维增强水泥基的复合材料，通过组分及其配方的优化设计，以橡胶粉替换一部分砂的用量，在一定程度上减轻了水泥基材料的自重，从而减小了水泥基材料在实际应用于3D打印过程中因逐层堆积而产生的不利变形，提高了3D打印精度；同时，橡胶粉也能够促进纤维对水泥基材料的增韧效果，在一定程度上减少了纤维用量，降低了成本，另外也缓解了过多纤维所导致的打印管道堵塞和影响打印性能的问题。
在一种优选的实施方式中，本发明中的硅酸盐水泥的3天抗压强度可以在28.9MPa以上，3天抗折强度可以在5.7MPa以上，比表面积可以在363m2/kg以上，烧失量可以为0.20-0.30，其典型但非限制性的烧失量例如为0.20、0.22、0.24、0.26、0.28、0.30，可优选为0.22，更有利于与其他组分相互配合以提高水泥基材料的性能。
在一种优选的实施方式中，本发明中的硅灰的平均粒径可以为0.1～0.15μm，其典型但非限制性的平均粒径例如为0.10μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm，其中，硅灰中的SiO2的质量含量可以在95％以上，更有利于与其他组分协同配合以提高水泥基材料的综合性能。
在一种优选的实施方式中，本发明中的粉煤灰包括但不限于一级粉煤灰，其中，粉煤灰的比表面积可以在700m2/kg以上，粉煤灰的密度可以为2.0-3.0g/cm3，其典型但非限制性的密度例如为2.0g/cm3、2.2g/cm3、2.4g/cm3、2.6g/cm3、2.8g/cm3、3.0g/cm3，可优选为2.6g/cm3，更有利于与其他组分相互配合以提高水泥基材料的综合性能。
在一种优选的实施方式中，本发明中的砂包括但不限于石英砂，其中，砂的粒径可以为70～150目，其典型但非限制性的粒径例如为70目、75目、80目、85目、90目、95目、100目、105目、110目、115目、120目、125目、130目、135目、140目、145目、150目，其中，砂中的SiO2的质量含量可以在99％以上，更有利于与其他组分协同配合以提高水泥基材料的综合性能。
本发明中的橡胶粉可以为废弃的橡胶，但不限于此，本发明利用废旧橡胶制品加工而成的橡胶粉，不仅为废弃橡胶的处理提供了绿色环保的处理方式，而且经济成本低；本发明在水泥基材料中加入的橡胶粉既能够有效减轻水泥基材料的自重，从而减小水泥基材料在3D打印过程中因逐层堆积而产生的不利变形，进而提高3D打印精度，又实现了废弃橡胶的高附加值利用，避免了废弃橡胶对环保的不利影响。
在一种优选的实施方式中，本发明中的橡胶粉的粒径可以为60～100目，其典型但非限制性的粒径例如为60目、65目、70目、75目、80目、85目、90目、95目、100目，橡胶粉的密度可以为0.7-1.2g/cm3，其典型但非限制性的密度例如为0.7g/cm3、0.8g/cm3、0.9g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3、1.2g/cm3，可优选为0.9g/cm3，更有利于降低水泥基材料的自重，提高3D打印的打印精度，同时更有利于促进和提高聚乙烯纤维对水泥基材料的增韧效果，也有效缓解过多的聚乙烯纤维导致堵塞打印管道和影响打印性能的问题。
在本发明中，聚乙烯纤维的长度可以为9-15mm，其典型但非限制性的长度例如为9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm，可优选为12mm；聚乙烯纤维的断裂延伸率可以为2～3％，其典型但非限制性的断裂延伸率例如为2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％；聚乙烯纤维的抗拉强度可以为2500-3500MPa，其典型但非限制性的抗拉强度例如为2500MPa、2600MPa、2700MPa、2800MPa、2900MPa、3000MPa、3100MPa、3200MPa、3300MPa，可优选为3000MPa。
本发明中所选择的聚乙烯纤维能够与橡胶粉协同配合以有效提高水泥基材料的韧性，使其更有利于应用在3D打印工艺中，提高3D打印的效果。
在一种优选的实施方式中，本发明中的橡胶粉包括改性后的橡胶粉，其中，改性后的橡胶粉的制备方法包括以下步骤：
采用碱溶液对橡胶粉进行浸泡处理，得到改性后的橡胶粉。
本发明中，对橡胶粉进行的改性处理能够有效减小橡胶粉加入后对水泥基材料强度的不利影响，有利于水泥基材料强度的进一步提高。
本发明中的碱溶液包括但不限于NaOH溶液，其中，碱溶液的质量浓度可以为10-20％，其典型但非限制性的质量浓度例如可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％，可优选为15％，有利于提高橡胶粉改性处理的效果，使改性后的橡胶粉的性能效果更佳，提高与各组分特别是聚乙烯纤维的协同配合效果。
在本发明中，减水剂可以为高效聚羧酸减水剂，但不限于此，减水率可以在40％以上，更有利于与其他组分协同作用以提高水泥基材料的性能。
本发明对消泡剂的种类不作特别限制，现有的常规种类的消泡剂均可应用在本发明的水泥基材料中。
相比于普通的水泥基材料，本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料，减小了自重，具有轻质的特点，从而改善了水泥基材料在实际应用于3D打印中的可建造性，减小了不利变形和提升了3D打印的精度；同时，橡胶粉缓解了聚乙烯纤维改善材料韧性差和不利于3D打印的问题；另外，对橡胶粉进行的改性处理，缓解了橡胶粉加入后对材料强度的不利影响。
综上所述，本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料，原料来源广泛，通过各组分及其配比的协同作用，具有轻质和高韧性的特点，力学性能优异，工作性能好，能够满足3D打印性能的需求，进一步提高了3D打印的精度、抗拉强度以及弹性模量，更适用于大规模建筑的3D打印工艺，同时也为废弃橡胶的处理提供了绿色环保的可行性方式，实现了废弃橡胶的高附加值利用，避免了废弃橡胶对环保的不利影响。
根据本发明的第二个方面，提供了一种上述任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：
按比例将各组分混合，得到轻质高韧性的水泥基材料。
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，工艺简单且高效。
在一种优选的实施方式中，本发明的制备方法包括以下步骤：
硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、砂、橡胶粉、减水剂、以及消泡剂混合后，再加入水混合，之后再加入聚乙烯纤维混合，得到轻质高韧性的水泥基材料。
本发明提供的制备方法，更有利于各组分的充分混合和反应，得到工作性能较佳的水泥基材料。
在一种优选的实施方式中，本发明中加入水的方式包括将水分为若干份后依次加入，包括以下步骤：
在第一低转速的状态下将若干份的水依次加入并混合，再调整为第一高转速的状态进行混合；
其中，第一低转速可以为80-120rpm，其典型但非限制性的转速例如为80rpm、85rpm、90rpm、95rpm、100rpm、105rpm、110rpm、120rpm，可优选为100rpm；
第一高转速可以为450-550rpm，其典型但非限制性的转速例如为450rpm、460rpm、470rpm、480rpm、490rpm、500rpm、510rpm、520rpm，可优选为500rpm。
在本发明中，先在低转速状态下分多次加入水，待水完全加入后，再在高转速状态下进行搅拌以确保外加剂能够快速反应，进而提高各组分的协同效果，保证水泥基材料的性能。例如，可以先在100rpm的转速下慢速搅拌，同时分多次加入水，之后再在500rpm的转速下快速搅拌2～3min。
在一种优选的实施方式中，本发明中加入聚乙烯纤维的方式包括将聚乙烯纤维分为若干份后依次加入，包括以下步骤：
在第二低转速的状态下将若干份的聚乙烯纤维依次加入并混合，再调整为第二高转速的状态进行混合；
其中，第二低转速可以为80-120rpm，其典型但非限制性的转速例如为80rpm、85rpm、90rpm、95rpm、100rpm、105rpm、110rpm、120rpm，可优选为100rpm；
第二高转速可以为450-550rpm，其典型但非限制性的转速例如为450rpm、460rpm、470rpm、480rpm、490rpm、500rpm、510rpm、520rpm，可优选为500rpm。
在本发明中，聚乙烯纤维分多次均匀地加入，能够避免一次加入过多的聚乙烯纤维而不利于聚乙烯纤维的分散，能够提高聚乙烯纤维与橡胶粉及其他组分的协同效果，保证水泥基材料更好地增韧。例如，可以先在100rpm的转速下搅拌，同时分多次缓慢掺入聚乙烯纤维，待完全掺入聚乙烯纤维后，再于500rpm的转速下快速搅拌2～3min。
一种轻质高韧性的水泥基材料的典型的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、橡胶粉、减水剂以及消泡剂加入到搅拌机中，充分搅拌均匀，得到干粉，其中，搅拌转速不宜过高，避免干粉飞溅造成用量不精确而影响性能，建议在100rpm的转速下搅拌3～5min；
(2)待干粉搅拌均匀后，按比例称取水加入到搅拌机中，充分搅拌均匀，其中，先在低转速状态下分多次加入所称取的水，待水完全加入后，再在高转速状态下进行搅拌以确保外加剂能够快速反应，建议先在100rpm的转速下慢速搅拌，再在500rpm的转速下快速搅拌2～3min；
(3)待步骤(2)搅拌均匀后，按比例称取聚乙烯纤维，并分多次均匀地加入到搅拌机中，避免一次加入过多的聚乙烯纤维，不利于聚乙烯纤维的分散，待搅拌均匀后，得到轻质高韧性的水泥基材料，其中，先在100rpm的转速下，分多次缓慢掺入聚乙烯纤维，待完全掺入聚乙烯纤维后，再在500rpm的转速下快速搅拌2～3min。
本发明提供的制备方法，简单且高效，能够得到工作性能较佳的水泥基材料，适用于大规模建筑的3D打印工艺。
根据本发明的第三个方面，提供了一种上述任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用。
本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用，能够解决3D打印的构件容易变形和尺寸精度低的技术问题，并且能够提高3D打印的抗拉强度和弹性模量，因此工作性能好，适用于大规模的建筑3D打印应用。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1-4
实施例1-4提供一种轻质高韧性的水泥基材料，各组分的重量份数见表1；
其中，硅酸盐水泥，其3天抗压强度≥28.9MPa，3天抗折强度≥5.7MPa，比表面积≥363m2/kg；硫铝酸盐水泥的烧失量为0.22；硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm，其SiO2的质量含量≥95％；粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3；石英砂的粒径为120目，其SiO2的质量含量≥99％；橡胶粉的粒径为80目，密度为0.9g/cm3，橡胶粉采用15％质量浓度的NaOH溶液进行浸泡处理，浸泡时间为3小时；减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率在40％以上；消泡剂为有机硅消泡剂；聚乙烯纤维的长度为12mm，断裂延伸率为2～3％，抗拉强度为3000MPa。
表1
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的橡胶粉未进行NaOH溶液的浸泡处理，其余均与实施例4相同。
实施例6
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的橡胶粉的粒径为60目，其余均与实施例4相同。
实施例7
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的橡胶粉的粒径为150目，其余均与实施例4相同。
实施例8
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的石英砂的粒径为70目，其余均与实施例4相同。
实施例9
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的石英砂的粒径为150目，其余均与实施例4相同。
实施例10
本实施例为实施例1-9提供的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、橡胶粉、减水剂以及消泡剂加入到搅拌机中，充分搅拌均匀，得到干粉，其中，搅拌转速不宜过高，避免干粉飞溅造成用量不精确而影响性能，建议在100rpm的转速下搅拌3～5min；
(2)待干粉搅拌均匀后，按比例称取水加入到搅拌机中，充分搅拌均匀，其中，先在低转速状态下分多次加入所称取的水，待水完全加入后，再在高转速状态下进行搅拌以确保外加剂能够快速反应，建议先在100rpm的转速下慢速搅拌，再在500rpm的转速下快速搅拌2～3min；
(3)待步骤(2)搅拌均匀后，按比例称取聚乙烯纤维，并分多次均匀地加入到搅拌机中，避免一次加入过多的聚乙烯纤维，不利于聚乙烯纤维的分散，待搅拌均匀后，得到轻质高韧性的水泥基材料，其中，先在100rpm的转速下，分多次缓慢掺入聚乙烯纤维，待完全掺入聚乙烯纤维后，再在500rpm的转速下快速搅拌2～3min。
对比例1
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例的水泥基材料中不含有硅灰，以等量的水补齐，其余均与实施例4相同。
对比例2
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例的水泥基材料中不含有粉煤灰，以等量的水补齐，其余均与实施例4相同。
对比例3
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例的水泥基材料中不含有橡胶粉，以等量的水补齐，其余均与实施例4相同。
对比例4
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例的水泥基材料中不含有聚乙烯纤维，以等量的水补齐，其余均与实施例4相同。
对比例5
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例的水泥基材料中以聚丙烯纤维等量替换聚乙烯纤维，其余均与实施例4相同。
对比例6
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中硅灰的重量份数为140份，其余均与实施例4相同。
对比例7
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中硅灰的重量份数为250份，其余均与实施例4相同。
对比例8
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中粉煤灰的重量份数为1200份，其余均与实施例4相同。
对比例9
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中粉煤灰的重量份数为2100份，其余均与实施例4相同。
对比例10
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中橡胶粉的重量份数为25份，其余均与实施例4相同。
对比例11
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中橡胶粉的重量份数为65份，其余均与实施例4相同。
对比例12
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中聚乙烯纤维的重量份数为5份，其余均与实施例4相同。
对比例13
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中聚乙烯纤维的重量份数为25份，其余均与实施例4相同。
试验例
实施例1-9和对比例1-13提供的水泥基材料通过3D打印技术形成构件，依次记为试验组1-9和对比组1-13，之后测试其性能包括流动性、可挤出性、可建造性、抗压强度以及抗折强度，结果见表2。
其中，3D打印的参数为打印喷嘴为圆形，直径为20mm，打印层高度为10mm。
表2
根据表2的数据结果可知，本发明提供的轻质高韧性的水泥基材料，通过各组分及其配比的协同作用，具有轻质和高韧性的特点，力学性能优异，工作性能好，能够满足3D打印性能的需求，进一步提高了3D打印的精度、抗拉强度以及弹性模量，更适用于大规模建筑的3D打印工艺，同时也为废弃橡胶的处理提供了绿色环保的可行性方式，实现了废弃橡胶的高附加值利用，避免了废弃橡胶对环保的不利影响。
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。
Claims (10)
1.一种轻质高韧性的水泥基材料，其特征在于，包括按重量份数计的以下组分：
硅酸盐水泥500～800份、硫铝酸盐水泥50～80份、硅灰150～240份，粉煤灰1250～2000份、砂300～500份、橡胶粉30～60份、减水剂1～4份、消泡剂1～4份、水200～350份，以及聚乙烯纤维10～20份。
2.根据权利要求1所述的轻质高韧性的水泥基材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥的3天抗压强度在28.9MPa以上；
优选地，所述硅酸盐水泥的3天抗折强度在5.7MPa以上；
优选地，所述硅酸盐水泥的比表面积在363m2/kg以上；
优选地，所述硫铝酸盐水泥的烧失量为0.20-0.30，优选为0.22。
3.根据权利要求1或2所述的轻质高韧性的水泥基材料，其特征在于，所述硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm；
优选地，所述硅灰的SiO2的质量含量在95％以上；
优选地，所述粉煤灰包括一级粉煤灰；
优选地，所述粉煤灰的比表面积在700m2/kg以上；
优选地，所述粉煤灰的密度为2.0-3.0g/cm3，优选为2.6g/cm3。
4.根据权利要求1或2所述的轻质高韧性的水泥基材料，其特征在于，所述砂包括石英砂；
优选地，所述砂的粒径为70～150目；
优选地，所述砂的SiO2的质量含量在99％以上；
优选地，所述橡胶粉的粒径为60～100目；
优选地，所述橡胶粉的密度为0.7-1.2g/cm3，优选为0.9g/cm3；
优选地，所述聚乙烯纤维的长度为9-15mm，优选为12mm；
优选地，所述聚乙烯纤维的断裂延伸率为2～3％；
优选地，所述聚乙烯纤维的抗拉强度为2500-3500MPa，优选为3000MPa；
优选地，所述橡胶粉包括改性后的橡胶粉；
优选地，所述改性后的橡胶粉的制备方法包括以下步骤：
采用碱溶液对橡胶粉进行浸泡处理，得到改性后的橡胶粉；
优选地，所述碱溶液包括NaOH溶液；
优选地，所述碱溶液的质量浓度为10-20％，优选为15％。
5.根据权利要求1或2所述的轻质高韧性的水泥基材料，其特征在于，所述减水剂包括聚羧酸减水剂；
优选地，所述聚羧酸减水剂的减水率在40％以上。
6.一种权利要求1-5任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例将各组分混合，得到所述轻质高韧性的水泥基材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、砂、橡胶粉、减水剂、以及消泡剂混合后，再加入水混合，之后再加入聚乙烯纤维混合，得到所述轻质高韧性的水泥基材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述加入水的方式包括将水分为若干份后依次加入；
优选地，所述将水分为若干份后依次加入的方法包括以下步骤：
在第一低转速的状态下将若干份的水依次加入并混合，再调整为第一高转速的状态进行混合；
其中，所述第一低转速为80-120rpm，优选为100rpm；
所述第一高转速为450-550rpm，优选为500rpm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述加入聚乙烯纤维的方式包括将聚乙烯纤维分为若干份后依次加入；
优选地，所述将聚乙烯纤维分为若干份后依次加入的方法包括以下步骤：
在第二低转速的状态下将若干份的聚乙烯纤维依次加入并混合，再调整为第二高转速的状态进行混合；
其中，所述第二低转速为80-120rpm，优选为100rpm；
所述第二高转速为450-550rpm，优选为500rpm。
10.一种权利要求1-5任一项所述的轻质高韧性的水泥基材料在3D打印中的应用。
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