[发明专利]轻质高韧性的水泥基材料及其制备方法、应用

说明书

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。

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：