一种适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆及其制备方法。
背景技术：
2.3d打印技术作为数字制造的一部分，在建造和建筑领域具备诸多优势，发展潜力十分巨大，已经成为现阶段建筑行业的热点发展方向。然而，目前可采用的打印材料种类非常有限，这严重阻碍了3d打印建筑物领域的发展。因此，研发出符合3d打印建筑物领域要求的材料变成一件非常重要的事情。良好的打印材料是3d打印建筑施工的基本前提，其要求3d打印混凝土材料具有良好的可塑性及较高的早期强度。
3.此外，目前中国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的1/3以上。保守估计，未来10年，我国平均每年将产生15亿吨以上的建筑垃圾，2020年我国建筑垃圾的存量将达到237亿吨，其中，建筑废砖约占建筑固废的30％～50％。现阶段，建筑废砖通常被制备成再生粗细骨料，再次被应用于工程当中，相对工艺已经趋于成熟。然而，对由建筑废弃砖通过破碎制备再生骨料直接或间接得到的烧结砖粉应用相对有限，且由于再生骨料制备工艺造成烧结砖粉存在粒型差、需水量大、胶凝活性低等缺陷。建筑垃圾的堆放占用了大量的土地资源，造成了资源浪费，给经济、生态、社会带来负面影响。建筑废砖资源化问题急需解决。
技术实现要素：
4.为解决背景技术中提到的普通硅酸盐水泥难以制备适用于3d打印建造的问题以及废弃砖块堆积问题，本发明提供了一种适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆，其中，原料包括矿粉、改性烧结砖粉、粉煤灰、细骨料、碱激发剂、纤维素醚、纤维、胶粉，水和聚羧酸减水剂；
5.所述改性烧结砖粉的制备方法为先将废弃砖进行清理、破碎、干燥，然后将干燥后的废弃砖块、助磨剂以及活化剂混合均匀，接着通过研磨得到改性烧结砖粉。
6.需要说明的是，上述改性烧结砖粉是由建筑拆迁遗弃的废弃砖块改性而成，具体地，先将废弃砖进行清理、破碎至粒径小于30mm、干燥，然后将干燥后的废弃砖块、助磨剂，以及活化剂按质量比为100～90：1.0～0.8：8～5混合均匀，通过设定合适的球磨速度(100～270r/min)、球磨时间(30～60min)、球料比(15：1～8:1)，采用行星球磨机进行机械力活化得到，得到的改性烧结砖粉，28d火山灰活性可达到80％以上，其活性满足并超过gbt 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中提到的70％。
7.此外，本发明主要利用上述改性方法使其得到的改性烧结砖粉的28d火山灰活性可达到80％以上，即可满足本发明的使用条件，不同来源的废弃砖块虽然受其生产工艺或组成成分具备一定的差异性，但这些因素对本发明最终制得的成品砂浆的性能的影响较小。
8.在上述方案的基础上，进一步地，所述助磨剂为maveklin助磨剂、乙二醇和木质素磺化物按质量比1.2～0.8:1～0.5:1～0.6组成；所述活化剂为三乙醇胺、氧化镁、氧化钙和碱性矿物盐按质量比1～0.6：0.8～0.5：1.2～0.7：0.5～0.3混合而成。
9.在上述方案的基础上，进一步地，以重量份计，包括40～60份矿粉、20～30份改性烧结砖粉、15～30份粉煤灰、110～130份细骨料、8～12份碱激发剂、0.1～0.2份纤维素醚、0.06～0.15份纤维、0.13～0.2份胶粉，水30～40份、0.35～0.5份聚羧酸减水剂。
10.在上述方案的基础上，进一步地，所述矿粉的活性级别不低于s95级，并且满足碱度系数》1，以及质量系数》1.2。
11.在上述方案的基础上，进一步地，所述粉煤灰为ⅱ级粉煤灰。
12.在上述方案的基础上，进一步地，所述碱激发剂为摩尔量为1.0的工业级无水硅酸钠。
13.在上述方案的基础上，进一步地，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、羟乙基纤维素醚中的至少一种。
14.在上述方案的基础上，进一步地，所述纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维，其长度范围为5～20mm。
15.在上述方案的基础上，进一步地，所述胶粉的分子量为1～10万，含18种氨基酸，水分和无机盐含量在16％以下，蛋白质含量在82％以上。
16.在上述方案的基础上，进一步地，所述聚羧酸减水剂由聚羧酸母液、缓凝剂、增稠剂和引气剂复配而成，且减水率为30％～34％。
17.需要说明的是，本发明所采用的聚羧酸减水剂主要考虑的是其减水性能，因此，只需减水率在30％～34％这个范围内的减水剂即可满足本发明的使用条件，不同的减水剂的具体制备和组成本领域技术人员可自行调整或选择，在此不再赘述。
18.本发明还提供一种适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆的制备方法，步骤如下：
19.(1)将矿粉、改性烧结砖粉、粉煤灰、细骨料、碱激发剂、纤维素醚、纤维，以及胶粉搅拌均匀，形成混合物a；
20.将聚羧酸减水剂和水混合后搅拌均匀，得到混合液b；
21.(2)将混合物a倒入搅拌机中搅拌，搅拌时间90～120s，再加入混合液b后进行搅拌，搅拌时间180～240s，得到适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆。
22.本发明提供的适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆，与现有的技术相比，具有以下技术原理和有益效果：
23.(1)本发明的碱性激发剂能为浆体提供较高浓度的oh-，改性烧结砖粉在碱性环境下表面非活性键易转换为游离的不饱和活性键，即表面的s io2和al2o3中的si-o和a l-o键发生断裂，形成si-o-a l网络聚合体，聚合度下降，易与体系中的活性成分发生火山灰反应，生成具有较高强度和水硬性的c-s(a)-h凝胶。适当的碱激发剂掺入改性烧结砖粉材料中，能够充分提高胶体强度，优化改性烧结砖粉砂浆性能。
24.(2)将废弃的建筑砖块进行机械力化学改性处理，有效改善砖粉的火山灰活性，提高改性烧结砖粉利用效率，可为紧缺的的矿物掺合料提供新的替代方案，缓解资源匮乏现状。
25.(3)使用该碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆打印出的线条饱满，均匀，凝结时间适宜，具有良好的可打印性能、流变性能和层间粘结性能，可以较好的替代普通硅酸盐水泥基3d打印材料，有效减少硅酸盐水泥用量，降低3d打印材料成本，施工简单。
26.(4)本发明中加入纤维素醚和胶粉，能够增加3d打印材料的粘结性能，保持打印材料的触变性能，促使胶凝粉料均匀分布，为胶凝材料强度发展提供保障。
27.(5)本发明中添加纤维，可有效增强打印材料抗拉抗裂性能，降低3d打印材料后期收缩。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中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。
29.本发明提供如下所示的实施例：
30.实施例1
31.以重量份计，原料组成包括：矿粉55份、比表面积为900m2/kg的改性烧结砖粉20份、ⅱ级粉煤灰30份、细骨料130份、碱激发剂12份、纤维素醚0.1份、20mm聚丙烯纤维0.15份、胶粉0.20份、自来水32份、聚羧酸减水剂0.40份。
32.本实施例还提供如下制备方法：
33.(1)将矿粉、改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰、细骨料、碱激发剂、纤维素醚、20mm聚丙烯纤维，以及胶粉搅拌均匀，形成混合物a；
34.将聚羧酸减水剂和自来水混合后搅拌均匀，得到混合液b。
35.(2)将混合物a倒入搅拌机中搅拌，搅拌时间90s，再加入混合液b后进行搅拌，搅拌时间180s，得到适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆。
36.实施例2
37.以重量份计，原料组成包括矿粉60份、比表面积1000m2/kg的改性烧结砖粉20份、ⅱ级粉煤灰25份、细骨料130份、碱激发剂10份、纤维素醚0.15份、15mm聚丙烯纤维0.12份、胶粉0.16份、自来水30份、聚羧酸减水剂0.50份。
38.本实施例还提供如下制备方法：
39.(1)将矿粉、改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰、细骨料、碱激发剂、纤维素醚、15mm聚丙烯纤维，以及胶粉搅拌均匀，形成混合物a；
40.将聚羧酸减水剂和自来水混合后搅拌均匀，得到混合液b。
41.(2)将混合物a倒入搅拌机中搅拌，搅拌时间100s，再加入混合液b后进行搅拌，搅拌时间200s，得到适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆。
42.实施例3
43.以重量份计，原料组成包括矿粉50份、比表面积1100m2/kg改性烧结砖粉30份、ⅱ级粉煤灰15份、细骨料130份、碱激发剂8份、纤维素醚0.20份、10mm聚丙烯纤维0.10份、胶粉0.13份、自来水35份、聚羧酸减水剂0.45份。
44.本实施例还提供如下制备方法：
45.(1)将矿粉、改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰、细骨料、碱激发剂、纤维素醚、10mm聚丙烯纤维，以及胶粉搅拌均匀，形成混合物a；
46.将聚羧酸减水剂和自来水混合后搅拌均匀，得到混合液b。
47.(2)将混合物a倒入搅拌机中搅拌，搅拌时间120s，再加入混合液b后进行搅拌，搅拌时间240s，得到适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆。
48.上述实施例的原料组分参数或制备方法具体如下：
49.矿粉的活性级别不低于s95级，并且满足碱度系数》1，以及质量系数》1.2。
50.改性烧结砖粉的制备方法为先将建筑拆迁遗弃的废弃砖块进行清理、破碎至粒径小于30mm、干燥，然后将干燥后的废弃砖块、助磨剂，以及活化剂按质量比100：0.8：6混合均匀，通过设定合适的球磨速度(100～270r/min)、球磨时间(30～60min)、球料比(15：1～8：1)得到不同的比表面积，采用行星球磨机进行机械力活化得到改性烧结砖粉，其28d火山灰活性可达到80％，其中，助磨剂为maveklin助磨剂、乙二醇和木质素磺化物按质量比1.2:1:1组成；活化剂为三乙醇胺、氧化镁、氧化钙和碱性矿物盐按质量比1：0.8：1.2：0.5混合而成。
51.其中，实施例1的废弃砖来自厦门市某老旧小区拆迁建筑垃圾碎砖，实施例2的废弃砖来自漳州市某砖厂的废弃碎砖，实施例3的废弃砖来自厦门市某施工工地砌筑的废弃砖。
52.细骨料选用堆积密度为1480kg/m3，压碎值为17.3％的中砂。
53.碱激发剂为摩尔量为1.0的工业级无水硅酸钠。
54.3个实施例中采用不同的纤维素醚，其中实施例1的纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，实施例2的纤维素醚为羟乙基甲基纤维素醚，实施例3的纤维素醚为羟乙基纤维素醚。
55.胶粉为分子量为1～10万，含18种氨基酸，水分和无机盐含量在16％以下，蛋白质含量在82％以上。
56.聚羧酸减水剂采用科之杰新材料集团有限公司的s13型减水剂。
57.本发明还提供如下对比例：
58.对比例1
59.该对比例与实施例1中的不同之处仅在于采用普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)并掺入适当的快硬型硫铝酸盐水泥以等质量替换实施例1中的胶凝材料(其胶凝材料由矿粉、比表面积900m2/kg改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰以及碱激发剂组成)，其余与实施例1一致，其中，普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)与快硬型硫铝酸盐水泥的质量比为3：1。
60.对比例2
61.该对比例与实施例2中的不同之处仅在于采用的为普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)并掺入适当的快硬型硫铝酸盐水泥以等质量替换实施例2中的胶凝材料(其胶凝材料由矿粉、比表面积1000m2/kg改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰以及碱激发剂组成)，其他与实施例2一致，其中，普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)与快硬型硫铝酸盐水泥的质量比为3：1。
62.对比例3
63.该对比例与实施例3中的不同之处仅在于采用的为普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)并掺入适当的快硬型硫铝酸盐水泥以等质量替换实施例3中的胶凝材料(其胶凝材料由矿粉、比表面积1100m2/kg改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰以及碱激发剂组成)，其他与实施例3一致，
其中，普通硅酸盐水泥(p
·
o42.5)与快硬型硫铝酸盐水泥的质量比为3：1。
64.对比例4
65.该对比例与实施例2中的不同之处仅在于所选用废弃砖粉仅进行筛检、清洗、干燥，然后人工破碎，未经过机械球磨改性，也未添加其他活化剂，直接用方孔筛筛分得到的小于75μm的细小废弃砖粉，然后将该未改性的烧结砖粉等质量替换实施例2中的比表面积1000m2/kg改性烧结砖粉，其他与实施例2一致。
66.对比例5
67.该对比例与实施例2中的不同之处仅在于采用氢氧化钙等质量替换实施例2中的硅酸钠，其他与实施例2一致。
68.对上述执行制备的3d打印砂浆按照标准：gb/t 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，gb/t 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》进行性能测试，结果如下表所示：
69.表1
70.性能测试项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3对比例4对比例5流动度/mm184204244210195220215235凝结时间/min831001221501461621252107d抗压强度/mpa45.548.742.439.343.239.733.916.828d抗压强度/mpa54.760.351.3349.852.847.348.623.5
71.从表1的测试结果可以看出，实施例的制备的砂浆流动度适宜，可被3d打印仪器顺畅挤出，均匀的层层打印，凝结时间较佳，并且早期强度高，可有效提高3d打印施工速度，有利于保障后期吊装施工。
72.与对比例1至对比例3相比，同等条件下，实施例制备的碱激发废弃砖粉3d打印砂浆的早期强度高，凝结时间快，适当的打印时间窗口，可加快打印速度，提高打印建筑效率。由此可见，采用本发明中的胶凝材料(其胶凝材料由矿粉、改性烧结砖粉、ⅱ级粉煤灰以及碱激发剂组成)可以较好的替代普通硅酸盐水泥基3d打印材料，有效减少硅酸盐水泥用量，降低3d打印材料成本，施工简单。
73.从对比例4可以看出，本发明对废弃砖粉的改性处理能够有效改善砖粉的火山灰活性，提高改性烧结砖粉利用效率。
74.从对比例5可以看出，本发明采用硅酸钠作为碱性激发剂，能够显著的改善成品砂浆的综合性能。
75.综上，本发明提供的适用于3d打印用碱激发改性烧结砖粉低碳砂浆，具有良好的可打印性能、流变性能和层间粘结性能，并且可有效大宗量利用工业固废和废弃砖，为工业固废和废弃砖资源化利用提供了新的应用途径，具有显著的环保价值。
76.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。