建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化领域，尤其涉及一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法。
背景技术
3D打印技术是一种增材制造技术，通过将材料进行逐层叠加的方式完成实体结构的制造，具有无需模具、缩短制造周期、降低成本等优点。建筑3D打印即是一种以砂浆或混凝土为油墨材料，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。
同时，我国仍处于基础建设的高峰时期，建材需求量和建筑废弃物排放量都巨大。2017年我国产生建筑废弃物超过20亿吨，其中废旧混凝土含量最高约占40％，将之破碎处置成再生骨料然后制成再生混凝土是其主要的资源化利用方向，多数发达国家的废旧混凝土资源化利用率能达到90％以上，而在我国，尽管该行业经过了十几年的发展，其资源化利用率仍不足10％。将再生混凝土运用到3D打印中，将给建筑垃圾资源化行业的进一步发展带来契机。
然而，目前大多数的建筑3D打印作品都停留在实验室阶段。究其原因，在于建筑3D打印构件的可靠性未能得到根本解决，特别是建筑3D打印结构脆性大、延性差的缺点未能得到有效解决，从而制约了建筑3D打印的进一步推广和应用。
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可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法，克服了现有建筑3D打印材料低延性、脆性破坏等缺陷。同时，该3D打印再生砂浆大量使用了粉煤灰、再生砂和再生PET短纤维，使得废弃物的资源能够再生利用，具有较高的环境效益和社会效益。
具体的，本发明的技术方案如下：
本发明第一个方面公开了一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆，以重量份计，包括以下组分：
水泥：550-800份；
粉煤灰：200-450份；
再生砂：1000份；
再生PET短纤维：10-16份；
消泡剂：1.0-1.5份；
减水剂：0.5-3.8份；
葡萄糖酸钠：0.5-0.7份；
纳米黏土：4.0-7.0份；
纤维素：1.1-1.6份；
水：300-600份。
优选的，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰。
优选的，所述再生砂的制备方法包括：将建筑废旧混凝土破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，即得到再生砂。
在本发明的一些具体实施例中，所述再生砂具有较高的吸水率，其吸水率为5％-20％。所述再生砂的吸水率在可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆的制备过程中要特别考虑。
若假定一种无再生砂的建筑3D打印材料配方中水泥、天然砂、水的用量分别为a、b、c，那么当以m％的再生砂替代天然砂后，且假定这种再生砂的吸水率为n％，则这种可用于建筑3D打印材料配方中的用水量将变为W＝c+b*m％*n％，与此同时，该配方中的水灰比将由a/c变为a/(c+b*m％*n％)。
优选的，以废旧聚酯为原料，采用再生瓶级聚酯技术制备得到所述再生PET短纤维。
在本发明的一些具体实施例中，所述再生PET短纤维的长度为6～18mm纤度可达5555dtxt，抗拉强度可达450N/mm2，拉伸率可达17％。
优选的，所述一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆包括以下条件中任意一项或多项：
1)所述消泡剂为混凝土专用消泡剂；
2)所述减水剂为聚羧酸减水剂；
3)所述葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠；
4)所述纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；
5)所述纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素。
优选的，所述水为自来水。
本发明第二个方面公开了一种制备可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆的方法，包括以下步骤：
步骤一，将水泥、再生砂混合并搅拌至均匀得到混合物一；
步骤二，将消泡剂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土、纤维素混合并置于步骤一所述混合物一中搅拌至均匀，得到混合物二；
步骤三，将步骤二中的混合物二与水混合并搅拌至均匀，得到混合物三；
步骤四，将分散好的再生PET短纤维与步骤三中的混合物三混合并搅拌至均匀，即得到一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆。
优选的，步骤一、二和三中，搅拌的条件为：搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为2-5min。
优选的，步骤四中，所述再生PET短纤维的混合方式为多次分步混合；步骤四中搅拌条件为：搅拌速度为300-1200rpm，搅拌时间为10-20min。
本发明第三个方面公开了上述一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆或上述的制备方法在再生材料领域中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，而不超出本发明的构思与保护范围。
本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果：
本发明将再生PET短纤维掺入到建筑3D打印砂浆中，并辅以添加剂调进行调节，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，又具有高延性的优点。该建筑3D打印再生砂浆材料，解决了目前无筋建造中建筑3D打印材料延性较差、脆性破坏的特点，有利于建筑3D打印技术从实验室阶段向工程应用阶段的转变；同时，该3D打印再生砂浆大量的使用了粉煤灰、再生砂和再生PET短纤维，考虑到了废弃物的资源再生利用，具有较高的环境效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明实施例中公开的一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆的3D打印过程示意图；
图2是本发明实施例中公开的用一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆制备的四点弯试件示意图；
图3是本发明实施例中公开的一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆试件与普通可建筑3D打印砂浆试件的四点弯曲力-位移曲线对比示意图；
图4是本发明实施例中公开的一种建筑3D打印用高延性纤维增强再生砂浆狗骨试件与普通可建筑3D打印砂浆狗骨试件的拉伸力-位移曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。本发明所用试剂和原料均市售可得。
实施例1
一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥800份、粉煤灰200份、再生砂1000份、再生PET短纤维10份、消泡剂1份、减水剂1.2份、葡萄糖酸钠0.7份、纳米黏土5份、纤维素1.2份、水425份。
其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；再生砂为将建筑废弃物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，再生砂的吸水率为5％-15％；再生PET短纤维包含6～18mm等多种长度；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉，纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素；水为普通自来水。
上述建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、再生砂混合并搅拌至均匀得到混合物一；
步骤二，将消泡剂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土、纤维素混合并置于步骤一所述混合物一中搅拌至均匀，得到混合物二；
步骤三，将步骤二中的混合物二与水混合并搅拌至均匀，得到混合物三；
步骤四，将分散好的再生PET短纤维与步骤三中的混合物三混合并搅拌至均匀，即得到一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆。
其中，步骤一、二和三中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为2-5min；步骤四中，再生PET短纤维的混合方式为多次分步混合，搅拌时的搅拌速度为300-1200rpm，搅拌时间为10-20min。
实施例2
一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥700份、粉煤灰300份、再生砂1000份、再生PET短纤维13份、消泡剂1.1份、减水剂2.1份、葡萄糖酸钠0.75份、纳米黏土5.9份、纤维素1.26份、水425份。
其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；再生砂为将建筑废弃物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，再生砂的吸水率为5％-15％；再生PET短纤维包含6～18mm等多种长度；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉，纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素；水为普通自来水。
上述建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、再生砂混合并搅拌至均匀得到混合物一；
步骤二，将消泡剂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土、纤维素混合并置于步骤一所述混合物一中搅拌至均匀，得到混合物二；
步骤三，将步骤二中的混合物二与水混合并搅拌至均匀，得到混合物三；
步骤四，将分散好的再生PET短纤维与步骤三中的混合物三混合并搅拌至均匀，即得到一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆。
其中，步骤一、二和三中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为2-5min；步骤四中，再生PET短纤维的混合方式为多次分步混合，搅拌时的搅拌速度为300-1200rpm，搅拌时间为10-20min。
实施例3
一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥600份、粉煤灰400份、再生砂1000份、再生PET短纤维16份、消泡剂1.3份、减水剂3.3份、葡萄糖酸钠0.85份、纳米黏土6.7份、纤维素1.38份、水425份。
其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；再生砂为将建筑废弃物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，再生砂的吸水率为5％-15％；再生PET短纤维包含6～18mm等多种长度；消泡剂为混凝土专用消泡剂，减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉，纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素；水为普通自来水。
上述建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、再生砂混合并搅拌至均匀得到混合物一；
步骤二，将消泡剂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土、纤维素混合并置于步骤一所述混合物一中搅拌至均匀，得到混合物二；
步骤三，将步骤二中的混合物二与水混合并搅拌至均匀，得到混合物三；
步骤四，将分散好的再生PET短纤维与步骤三中的混合物三混合并搅拌至均匀，即得到一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆。
其中，步骤一、二和三中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为2-5min；步骤四中，再生PET短纤维的混合方式为多次分步混合，搅拌时的搅拌速度为300-1200rpm，搅拌时间为10-20min。
对照例1
一种普通建筑3D打印砂浆，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂1000份、减水剂1.5份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、水370份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25mm-0.35mm，天然细砂的含水率在4％-6％；减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；水为普通自来水。上述普通建筑3D打印砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种普通建筑3D打印砂浆。其中，步骤一、二中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为3-7min。
对照例2
一种普通建筑3D打印砂浆，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂900份、再生砂100份、减水剂1.5份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、水380份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25mm-0.35mm，天然细砂的含水率在4％-6％；再生砂为将建筑废旧物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，建筑废旧物为废旧混凝土，再生砂的吸水率为5％-15％；减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；水为普通自来水。上述普通建筑3D打印砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种普通建筑3D打印砂浆。其中，步骤一、二中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为3-7min。
对照例3
一种普通建筑3D打印砂浆，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂800份、再生砂200份、减水剂1.5份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、水390份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25mm-0.35mm，天然细砂的含水率在4％-6％；再生砂为将建筑废旧物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，建筑废旧物为废旧混凝土，再生砂的吸水率为5％-15％；减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；水为普通自来水。上述普通建筑3D打印砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种普通建筑3D打印砂浆。其中，步骤一、二中，搅拌速度为800-1200rpm，搅拌时间为3-7min。
实施例4
分别将实施例1-3制备得到的可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆材料和对照例1-3制备得到的普通建筑3D打印砂浆，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打印建造的高延性纤维增强再生砂浆构件样品。3D打印过程示意图如图1所示，其中，以实施例1得到的用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆材料作为原材料，打印出的再生砂浆构件样品如图2所示(图2中左图为打印出的再生砂浆构件样品的正面图，右图为打印出的再生砂浆构件样品的背面图)。并对3D打印建造的高延性纤维增强再生砂浆构件样品进行养护，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。除了砂浆材料不同以外，其他试验条件和养护方法完全相同。
对这些砂浆构件样品进行破坏方式、抗折强度、抗拉强度试验，并进行延性评价，得到的试验结果如表1所示。
表1不同类型3D打印砂浆样品的破坏方式、抗折强度、抗拉强度及延性评价
使用实施例3和对照例3中公开的高延性纤维增强再生砂浆作为原材料制备得到的再生砂浆构件样品进行延性试验，结果如图3和图4所示。
综上所述，本发明提供了一种可用于建筑3D打印的高延性纤维增强再生砂浆及其制备方法，将再生PET短纤维掺入到建筑3D打印材料中，并辅以添加剂调进行调节，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，又具有高延性的优点。该3D打印再生砂浆，解决了目前无筋建造中建筑3D打印材料延性较差、脆性破坏的特点，有利于建筑3D打印技术从实验室阶段向工程应用阶段的转变；同时，该3D打印再生砂浆大量使用了粉煤灰、再生砂和再生PET短纤维，考虑到了废弃物的资源再生利用，具有较高的环境效益和社会效益。
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。
