WO2020029550A1 - 一种用于3d打印建造的再生粉体混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土材料及制备方法：混凝土材料以重量份计包括以下组分：水泥：1.0份；再生粉体：0.1-2.0份；再生细骨料：1.0-12.0份；纳米二氧化钛：0.001-0.18份；高弹模聚乙烯纤维：0.005-0.15份；可再分散乳胶粉：0.002-0.1份；纤维素：0.001-0.045份；激发剂：0.01-0.30份；聚羧酸减水剂：0.005-0.2份；水：0.2-2.0份。该3D打印建造的再生粉体混凝土材料将建筑废物资源化再生粉体技术与3D打印建造技术相结合，通过再生粉体混凝土配方的优化，进一步提升3D打印再生粉体混凝土材料的安全性、适用性和耐久性，同时兼具自清洁功能性。

Description

一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法 技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，涉及一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法。
背景技术
近些年来，3D打印技术已广泛应用于制造和医疗等国民经济行业。特别地随着建筑技术，尤其是无人建造建技术的发展，3D打印技术已广泛应用在建筑行业中，主要以混凝土材料为3D打印“油墨”，通过电脑控制的特定程序，打印出不同形状和结构的混凝土构件，3D打印建造技术在异性构件制备及严酷环境下无人建造等方面具有明显的优势。全过程的电脑编程和机械化施工，实现了建筑、结构和施工的合理统一；同时随着建筑行业的转型升级，3D打印混凝土建筑具有较高的机械化程度，是未来建筑行业工业化的必然发展趋势。
随着城镇化进程加快和国民经济快速发展，我国建筑废物排放量逐年增加，2017年已经达到18亿吨，未来仍会保持在较高水平下。考虑到我国建筑废物的固有特点，含有大量烧结红砖和废混凝土，将建筑废物通过深度研磨协同加热烘干可制备出高活性再生粉体。再生粉体的应用不仅大量消纳了建筑废物，同时在一定程度上缓解了水泥和粉煤灰等胶凝材料供应不足的现状，具有较高的环境效益和社会效益，再生粉体材料是未来用于制备混凝土的新发展方向。而且，利用再生粉体与再生骨料制备再生混凝土，进一步地加快了建筑废物的资源化进程，提高资源化利用率，具有显著的环境效益和社会效益。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，其结合建筑废物资源化再生粉体技术与3D打印无人建造技术，为建筑废物资源化再生粉体利用提供应用途径，环境效益优异，同时再生粉体的高细度、高活性，以及良好的保水性更适用于3D打印混凝土材料的制备，并保证打印出混凝土构件具有优异的安全性、适用性和耐久性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥：1.0份；
再生粉体：0.1-2.0份；
再生细骨料：1.0-12.0份；
纳米二氧化钛：0.001-0.18份；
高弹模聚乙烯纤维：0.005-0.15份；
可再分散乳胶粉：0.002-0.1份；
纤维素：0.001-0.045份
激发剂：0.01-0.30份；
聚羧酸减水剂：0.005-0.2份；
水：0.2-2.0份。
优选地，所述一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥：1.0份；
再生粉体：0.2-1.0份；
再生细骨料：1.5-8.0份；
纳米二氧化钛：0.005-0.12份；
高弹模聚乙烯纤维：0.01-0.15份；
可再分散乳胶粉：0.005-0.05份；
纤维素：0.002-0.02份；
激发剂：0.03-0.1份；
聚羧酸减水剂：0.01-0.05份；
水：0.5-1.2份。
更优选地，所述一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土材料，以重量份计，包括以下组分：
水泥：1.0份；
再生粉体：0.5-0.8份；
再生细骨料：2.0-5.0份；
纳米二氧化钛：0.02-0.08份；
高弹模聚乙烯纤维：0.05-0.08份；
可再分散乳胶粉：0.008-0.01份；
纤维素：0.003-0.005份
激发剂：0.04-0.08份；
聚羧酸减水剂：0.01-0.03份；
水：0.5-1.0份。
优选地，所述水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种。所述普通硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入6～20％的混合材料、适量石膏磨细制成的水泥。所述普通硅酸盐水泥因为所掺入混合材料较少，其成分与硅酸盐水泥比较接近，所以两者的性能也比较接近，在一定的条件下可以替换，如要求快硬、高强的混凝土，一般优先采用硅酸盐水泥，也可采用普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥的适用范围更广泛。
更优选地，所述水泥的强度等级≥32.5级。
进一步优选地，所述水泥的强度等级选自42.5级或52.5级中的一种。
优选地，所述再生粉体为将建筑废弃物经研磨成粒径≤75μm的细粉料，所述建筑废弃物为废混凝土和废砖瓦的混合物。
更优选地，所述废混凝土的原始强度等级≥C20。
更优选地，所述废砖瓦的原始强度等级≥MU5.0。
更优选地，所述废砖瓦占所述建筑废弃物的质量百分比为10-90％。
进一步优选地，所述废砖瓦占所述建筑废弃物的质量百分比为30-80％。
最优选地，所述废砖瓦占所述建筑废弃物的质量百分比为50-70％。
更优选地，所述再生粉体选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％。
优选地，所述再生粉体处于完全干燥状态，所述完全干燥状态为将再生粉体置于烘干箱中在100-110℃烘干24h且活性再生粉体的质量变化＜0.1％。
更优选地，所述再生粉体中，粒径≤45μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥70％。
进一步优选地，所述再生粉体中，粒径≤45μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥85％，且粒径≤25μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％。
更进一步优选地，所述再生粉体中，粒径≤30μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥90％，且粒径≤15μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％。
优选地，所述再生细骨料为将建筑废弃物破碎成粒径为0.15-5mm的颗粒，所述建筑废弃物为废混凝土。
更优选地，所述废混凝土的原始强度等级≥C30。
更优选地，所述再生细骨料选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％。
更优选地，所述再生细骨料的粒径为0.5-4mm。
进一步优选地，所述再生细骨料的粒径为1-3mm。
优选地，所述再生细骨料处于饱和面干状态。避免拌合过程中再生细骨料吸附自由水，进而影响混凝土拌合物的实际水灰比。
优选地，所述纳米二氧化钛(TiO 2)的粒径范围为≤100nm。所述纳米二氧化钛的外观为白色疏松粉末。
更优选地，所述纳米二氧化钛的粒径范围为≤75nm。
进一步优选地，所述纳米二氧化钛的粒径范围为≤25nm。
优选地，所述高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为91-140N/tex。
优选地，所述高弹模聚乙烯纤维的长度范围为1-20mm。
更优选地，所述高弹模聚乙烯纤维的长度范围为2.5-10mm。
进一步优选地，所述高弹模聚乙烯纤维的长度范围为5-7.5mm。
优选地，所述可再分散乳胶粉为常规使用的可再分散乳胶粉，可从市场上购买获得。
更优选地，所述可再分散乳胶粉选自醋酸乙烯醋与乙烯的共聚胶粉、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯醋三元共聚粉、醋酸乙烯醋与乙烯及高级脂肪酸乙烯脂三元共聚粉、醋酸乙烯酸均聚胶粉、苯乙烯与丁二烯共聚胶粉中一种。
优选地，所述纤维素选自羟丙基甲基纤维素或木质纤维素中的一种。所述纤维素能够保证本发明中制备的再生粉体混凝土材料具有良好的工作性能和良好的外观性能。
优选地，所述激发剂为碱性激发剂。
更优选地，所述碱性激发剂选自氢氧化钙(Ca(OH) 2)或水玻璃(Na 2O*nSiO 2)中的一种。
进一步优选地，所述碱性激发剂为氢氧化钙。所述氢氧化钙呈白色粉末状。
优选地，所述聚羧酸减水剂为常规使用的聚羧酸减水剂，可从市场上购买获得。
更优选地，所述聚羧酸减水剂为萘系减水剂。具体来说，所述聚羧酸减水剂为由江苏苏博特新材料有限公司生产的
Figure PCTCN2019072847-appb-000001
萘系高效减水剂。
优选地，所述水为自来水。
本发明第二方面提供一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土材料的制备方法，是按上述混凝土材料的重量份比例，将各组分进行计量搅拌后即得。
优选地，所述一种用于3D打印的混凝土粉体混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按再生粉体混凝土材料的重量份比例，将水泥、再生粉体、再生细骨料、纳米二氧化钛、可再分散乳胶粉、纤维素和激发剂进行第一次搅拌，获得预拌合物；
2)按再生粉体混凝土材料的重量份比例，将水与聚羧酸减水剂加入到步骤1)中的 预拌合物中进行第二次搅拌，在第二次搅拌过程中将高弹模聚乙烯纤维分批次投入，获得最终拌合物，即为所需再生粉体混凝土材料。
优选地，步骤1)中，所述再生粉体处于完全干燥状态。
优选地，步骤1)中，所述再生细骨料处于饱和面干状态。避免拌合过程中再生细骨料吸附自由水，进而影响混凝土拌合物的实际水灰比。
优选地，步骤1)中，所述第一次搅拌的时间为1-3分钟。更优选地，所述第一次搅拌的搅拌时间为2分钟。
优选地，步骤2)中，所述第二次搅拌的时间≥2分钟。更优选地，所述第二次搅拌的搅拌时间为3分钟。
优选地，步骤2)中，所述高弹模聚乙烯纤维分批次投入的次数为3-5次。所述高弹模聚乙烯纤维经搅拌混合后均匀分散。
优选地，步骤2)中，所述最终拌合物的坍落度为20-150mm。更优选地，所述最终拌合物的坍落度为30-100mm。进一步优选地，所述最终拌合物的坍落度为40-50mm。
本发明第三方面提供上述再生粉体混凝土材料在3D打印建造中的用途。
优选地，所述用途为再生粉体混凝土材料进行3D打印形成用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件。
更优选地，所述3D打印采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印。
本发明第四方面提供一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件的制备方法，根据上述再生粉体混凝土材料以及再生粉体混凝土材料的制备方法，通过3D打印后制得。
优选地，所述3D打印后的再生粉体混凝土构件的养护为常温养护或标准养护。
更优选地，所述养护为标准养护，所述标准养护的温度为(20±2)℃，所述标准养护的湿度为(90±5)％，所述标准养护的养护龄期为28天。
本发明第五方面提供一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件，由上述制备方法制得。
如上所述，本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，以再生粉体和水泥作为主要胶凝材料，复合纳米二氧化钛和高弹模聚乙烯纤维，制备出用于3D打印建造的高品质再生粉体材料，最终成型养护，获得3D打印再生粉体混凝土构件。具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，考虑未来建筑工业的发展，将建筑废物资源化生产再生粉体技术与3D打印无人建造技 术相结合，从本质上改变了3D打印建造用混凝土材料。
(2)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，通过对建筑废物进行深度研磨和活性激发，获得高活性再生粉体，由于再生粉体多孔需水性和保水性，使制备的混凝土具有更高的保塌性和早硬性，更适宜用于3D打印建造的混凝土材料。同时，使用再生粉体制备混凝土为建筑废物资源化提供新的利用途径，其能够取代水泥，减少水泥用量，环境效益高。
(3)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，通过掺入纳米二氧化钛，一方面由于纳米颗粒填充作用使混凝土力学性能提高；另一方面由于纳米二氧化钛的光催化性能，具有一定的自清洁作用，使3D打印再生粉体混凝土具有良好的功能性。
(4)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，考虑到3D打印混凝土的条状特征，界面是3D打印再生粉体混凝土的缺陷部分。通过掺入高弹模聚乙烯纤维，提高了打印条带之间的界面性能，且使3D打印再生粉体混凝土的力学性能提高，具有优异的弯拉性能和整体性能，进而保证用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件具有较高的安全性。
(5)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，其制备方法简单易行，易于工程应用推广，考虑未来土木工程中无人建造技术和资源化再生技术发展，本发明的应用具有较高的环境效益和社会效益。
(6)本发明提供的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，选择再生细骨料和再生粉体作为3D打印混凝土原材料，实现了混凝土中主要组分材料的“全再生”，而且再生细骨料和再生粉体是建筑废物资源化的主要产品，本发明将其进行规模化推广，可大规模消纳建筑废弃物资源化，具有优异的环境效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明中的一种用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件的制备过程如下：
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.1-2.0份、再生细骨料1.0-12.0份、纳米二氧化钛0.001-0.18份、可再分散乳胶粉0.002-0.1份，纤维素0.001-0.045份、激发剂0.01-0.30份，进行第一次搅拌1-3分钟，获得预拌合物。其中，优选方案为水泥1.0份、再生粉体0.2-1.0份、再生细骨料1.5-8.0份、纳米二氧化钛0.005-0.12份、可再分散乳胶粉0.005-0.05份，纤维素0.002-0.02份、激发剂0.03-0.1份。最优选方案为水泥1.0份、再生粉体0.5-0.8份、再生细骨料2.0-5.0份、纳米二氧化钛0.02-0.08份、可再分散乳胶粉0.008-0.01份，纤维素0.003-0.005份、激发剂0.04-0.08份。
计量取水0.2-2.0份、聚羧酸减水剂0.005-0.2份加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合≥2分钟，在第二次搅拌过程中分批3-5次加入高弹模聚乙烯纤维0.005-0.15份，获得最终拌合物，最终拌合物的坍落度为20-150mm，较佳为30-100mm，优选为40-50mm。即得所需再生粉体混凝土材料。其中，优选方案为水0.5-1.2份、聚羧酸减水剂0.01-0.05份，在第二次搅拌过程中分批3-5次加入高弹模聚乙烯纤维0.01-0.15份。最优选方案为水0.5-1.0份、聚羧酸减水剂0.01-0.03份，在第二次搅拌过程中分批3-5次加入高弹模聚乙烯纤维0.05-0.08份。
其中，水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种，水泥的强度等级≥32.5级，优选为42.5级或52.5级中的一种。再生粉体为将建筑废弃物经研磨成粒径≤75μm的细粉料，建筑废弃物为废混凝土和废砖瓦的混合物。其中，再生粉体选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级≥C20，废砖瓦的原始强度等级≥MU5.0，废砖瓦占建筑废弃物的质量百分比为10-90％，优选为30-80％，更优选为50-70％。再生粉体处于完全干燥状 态，完全干燥状态为将再生粉体置于烘干箱中在100-110℃烘干24h且活性再生粉体的质量变化＜0.1％。再生粉体为粒径≤45μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥70％；优选为粒径≤45μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥85％，且粒径≤25μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％；更优选为粒径≤30μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥90％，且粒径≤15μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％。再生细骨料为将建筑废弃物破碎成粒径为0.15-5mm的颗粒，建筑废弃物为废混凝土，其中，废混凝土的原始强度等级≥C30，再生细骨料选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，再生细骨料的粒径为0.5-4mm，优选为1-3mm，再生细骨料处于饱和面干状态。纳米二氧化钛的粒径范围为≤100nm，优选为≤75nm，更优选为≤25nm。高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为91-140N/tex。高弹模聚乙烯纤维的长度范围为1-20mm，优选为2.5-10mm，更优选为5-7.5mm。可再分散乳胶粉为常规使用的可再分散乳胶粉，优选为醋酸乙烯醋与乙烯的共聚胶粉、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯醋三元共聚粉、醋酸乙烯醋与乙烯及高级脂肪酸乙烯脂三元共聚粉、醋酸乙烯酸均聚胶粉、苯乙烯与丁二烯共聚胶粉中一种。纤维素选自羟丙基甲基纤维素或木质纤维素中的一种。激发剂为碱性激发剂，优选为氢氧化钙或水玻璃中的一种。聚羧酸减水剂为常规使用的聚羧酸减水剂，优选为萘系减水剂。水为自来水。
再将制备获得的再生粉体混凝土材料，采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印，获得用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件。再生粉体混凝土构件进行养护，养护方式分为常温养护或标准养护，优选为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为85-95％，标准养护的养护龄期为28天。
实施例1
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.5份、再生细骨料3.0份、纳米二氧化钛0.045份、可再分散乳胶粉0.008份、纤维素0.005份、激发剂0.04份，进行第一次搅拌2分钟，获得预拌合物。然后计量取水0.75份、聚羧酸减水剂0.015份加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为3分钟，在第二次搅拌过程中分批4次加入高弹模聚乙烯纤维0.05份，获得最终拌合物，最终拌合物的坍落度为40mm，即为所需再生粉体混凝土材料样品1#。其中，水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种，水泥的强度等级为42.5级。制备再生粉体所用建筑废弃物中，废砖瓦占建筑废弃物的质量百分比为50％，建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级为C20，废砖瓦的原始强度等级为MU5.0。再生粉体处于完全干燥状态，粒径≤30μm再生粉体占总再生粉体的质 量百分比≥90％，且粒径≤15μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％。再生细骨料的粒径为2-3mm，再生细骨料选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级≥C30，再生细骨料处于饱和面干状态。纳米二氧化硅的粒径范围为≤25nm。高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为91-140N/tex。高弹模聚乙烯纤维的长度范围为5-7.5mm。可再分散乳胶粉为醋酸乙烯醋与乙烯的共聚胶粉。水为自来水。激发剂为氢氧化钙。聚羧酸减水剂为萘系减水剂。
再将制备获得的再生粉体混凝土材料样品1#，采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印，获得用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件样品1#。再生粉体混凝土构件样品1#进行养护，养护方式为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为95％，标准养护的养护龄期为28天。
实施例2
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.8份、再生细骨料5.0份、纳米二氧化钛0.02份、可再分散乳胶粉0.01份、纤维素0.003份、激发剂0.08份，进行第一次搅拌2分钟，获得预拌合物。然后计量取水1.0份、聚羧酸减水剂0.03份加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为3分钟，在第二次搅拌过程中分批5次加入高弹模聚乙烯纤维0.08份，获得最终拌合物，最终拌合物的坍落度为50mm，即为所需再生粉体混凝土材料样品2#。其中，水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种，水泥的强度等级为52.5级。制备再生粉体所用建筑废弃物中，废砖瓦占建筑废弃物的质量百分比为60％，建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级为C20，废砖瓦的原始强度等级为MU5.0。再生粉体处于完全干燥状态，粒径≤45μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥85％，且粒径≤25μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥50％。再生细骨料的粒径为1-4mm，再生细骨料选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级≥C30，再生细骨料处于饱和面干状态。纳米二氧化硅的粒径范围为≤75nm。高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为100-120N/tex。高弹模聚乙烯纤维的长度范围为5.5-7mm。可再分散乳胶粉为乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯醋三元共聚粉。水为自来水。激发剂为水玻璃。聚羧酸减水剂为萘系减水剂。
再将制备获得的再生粉体混凝土材料样品2#，采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印，获得用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件样品2#。再生粉体混凝土构件样品2#进行养护，养护方式为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为85-95％， 标准养护的养护龄期为28天。
实施例3
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.6份、再生细骨料2.0份、纳米二氧化钛0.08份、可再分散乳胶粉0.009份、纤维素0.004份、激发剂0.07份，进行第一次搅拌3分钟，获得预拌合物。然后计量取水0.5份、聚羧酸减水剂0.02份加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为4分钟，在第二次搅拌过程中分批3次加入高弹模聚乙烯纤维0.06份，获得最终拌合物，最终拌合物的坍落度为45mm，即为所需再生粉体混凝土材料样品3#。其中，水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种，水泥的强度等级为52.5级。制备再生粉体所用建筑废弃物中，废砖瓦占建筑废弃物的质量百分比为70％，建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级为C20，废砖瓦的原始强度等级为MU5.0。再生粉体处于完全干燥状态，粒径≤30μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥95％，且粒径≤15μm再生粉体占总再生粉体的质量百分比≥60％。再生细骨料的粒径为0.2-0.9mm，再生细骨料选用的建筑废弃物中的杂质含量＜0.1％，废混凝土的原始强度等级≥C30，再生细骨料处于饱和面干状态。纳米二氧化硅的粒径范围为≤20nm。高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为100-130N/tex。高弹模聚乙烯纤维的长度范围为6-9mm。可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酸均聚胶粉。水为自来水。激发剂为氢氧化钙。聚羧酸减水剂为萘系减水剂。
再将制备获得的再生粉体混凝土材料样品3#，采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印，获得用于3D打印建造的再生粉体混凝土构件样品3#。再生粉体混凝土构件样品3#进行养护，养护方式为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为90-95％，标准养护的养护龄期为28天。
对照例1
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.5份、再生细骨料3.0份，进行第一次搅拌2分钟，获得预拌合物；然后计量取水0.75份、减水剂0.015份按照实施例1加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为3分钟，获得最终拌合物，即制备获得再生粉体混凝土材料对照样品1*。然后，将再生粉体混凝土材料对照样品1*采用3D打印机进行3D打印，获得再生粉体混凝土构件样品1*。
对照例2
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.5份、再生细骨料 3.0份、可再分散乳胶粉0.008份、纤维素0.005份、Ca(OH) 2激发剂0.04份，进行第一次搅拌2分钟，获得预拌合物；然后计量取水0.75份、减水剂0.015份按照实施例1加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为0.5分钟，获得最终拌合物，即制备获得再生粉体混凝土材料对照样品2*。然后，将再生粉体混凝土材料对照样品2*采用3D打印机进行3D打印，获得再生粉体混凝土构件样品2*。
对照例3
按再生粉体混凝土材料的重量份比例，计量取水泥1.0份、再生粉体0.5份、再生细骨料3.0份、可再分散乳胶粉0.008份、纤维素0.005份、Ca(OH) 2激发剂0.04份，进行第一次搅拌2分钟，获得预拌合物；然后计量取水0.75份、减水剂0.015份按照实施例1加入到预拌合物中进行第二次搅拌混合，拌合时间为3分钟，在第二次搅拌过程中分批4次加入高弹模聚乙烯纤维0.05份，获得最终拌合物，即制备获得再生粉体混凝土材料对照样品3*。然后，将再生粉体混凝土材料对照样品3*采用3D打印机进行3D打印，获得再生粉体混凝土构件样品3*。
表1不同类型3D打印混凝土样品的综合性能评价
Figure PCTCN2019072847-appb-000002
由表1可知，通过配方优化，利用再生粉体等质量取代水泥后，可降低混凝土中水泥含量，但对混凝土材料的性能没有明显影响，环境效益明显。高弹模聚乙烯纤维的掺入提高了胶凝材料的拉弯强度，经测算掺入高弹模聚乙烯纤维的水泥基胶凝材料，其极限应变可达到4％以上。向再生粉体混凝土中掺入纳米二氧化钛，不仅提高了再生粉体混凝土的力学性能，同时由于纳米二氧化钛的光催化作用，具有自清洁性能，功能性显著。相同水胶比条件下(w/b范围在0.3-0.7)，实施例1的抗压强度较对照例1提高10-25％，拉弯强度提高40-85％，而 且层间破坏程度降低，整体性显著提高。
综上所述，本发明提供的用于3D打印建造的再生粉体混凝土及制备方法，将建筑废物资源化再生粉体技术与3D打印建造技术相结合；通过再生粉体混凝土配方的优化，保证用于3D打印建造的再生粉体混凝土具有良好的力学性能和功能性，特别是再生粉体由建筑废弃物中的废混凝土和砖瓦通过深度研磨烘干制备，再生细骨料是由建筑废弃物中的废混凝土破碎制备，本发明的推广和应用为建筑废物资源化利用提供了新的应用路径；也促进了我国建筑行业中3D打印建造技术在应用，为其产业化推广奠定应用基础，具有较高的环境效益和社会效益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

  1. 一种再生粉体混凝土材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
    水泥：1.0份；
    再生粉体：0.1-2.0份；
    再生细骨料：1.0-12.0份；
    纳米二氧化钛：0.001-0.18份；
    高弹模聚乙烯纤维：0.005-0.15份；
    可再分散乳胶粉：0.002-0.1份；
    纤维素：0.001-0.045份
    激发剂：0.01-0.30份；
    聚羧酸减水剂：0.005-0.2份；
    水：0.2-2.0份。
  2. 根据权利要求1所述的一种再生粉体混凝土材料，其特征在于，包括以下条件中任意一项或多项：
    A1)所述水泥选自硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种；
    A2)所述再生粉体为将建筑废弃物经研磨成粒径≤75μm的细粉料，所述建筑废弃物为废混凝土和废砖瓦的混合物；
    A3)所述再生细骨料为将建筑废弃物破碎成粒径为0.15-5mm的颗粒，所述建筑废弃物为废混凝土；
    A4)所述纳米二氧化钛的粒径范围为≤100nm；
    A5)所述高弹模聚乙烯纤维的弹性模量为91-140N/tex；所述高弹模聚乙烯纤维的长度范围为1-20mm；
    A6)所述纤维素选自羟丙基甲基纤维素或木质纤维素中的一种；
    A7)所述激发剂为碱性激发剂；
    A8)所述水为自来水。
  3. 一种再生粉体混凝土材料的制备方法，其特征在于，根据权利要求1-2任一所述的再生粉体混凝土材料的重量份比例，将各组分进行计量搅拌后即得。
  4. 根据权利要求3所述的一种再生粉体混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    1)按再生粉体混凝土材料的重量份比例，将水泥、再生粉体、再生细骨料、纳米二氧化钛、可再分散乳胶粉、纤维素和激发剂进行第一次搅拌，获得预拌合物；
    2)按再生粉体混凝土材料的重量份比例，将水与聚羧酸减水剂加入到步骤1)中的预拌合物中进行第二次搅拌，在第二次搅拌过程中将高弹模聚乙烯纤维分批次投入，获得最终拌合物，即为所需再生粉体混凝土材料。
  5. 根据权利要求4所述的一种再生粉体混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述再生粉体处于完全干燥状态，所述再生细骨料处于饱和面干状态。
  6. 根据权利要求4所述的一种再生粉体混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述高弹模聚乙烯纤维分批次投入的次数为3-5次。
  7. 根据权利要求1-2任一所述的再生粉体混凝土材料在3D打印建造中的用途。
  8. 一种再生粉体混凝土构件的制备方法，其特征在于，根据权利要求1-2任一所述的再生粉体混凝土材料以及权利要求3-6任一所述的再生粉体混凝土材料的制备方法，通过3D打印后制得。
  9. 根据权利要求8所述的一种再生粉体混凝土构件的制备方法，其特征在于，所述3D打印后的再生粉体混凝土构件的养护为常温养护或标准养护。
  10. 一种再生粉体混凝土构件，其特征在于，由权利要求8-9任一所述的制备方法制得。
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