用于3D打印的高比强轻质EPS保温混凝土材料及其制备方法

用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于材料技术领域，涉及一种混凝土材料，具体涉及一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料及其制备方法。


背景技术：

2.2019年全国建筑全过程能耗总量为22.33亿吨标准煤，其中建筑运行阶段能耗为10.3亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.2％。2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，其中建筑运行阶段碳排放为21.30亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为21.6％。建筑运行碳排放中，建筑直接碳排放约占26％，电力碳排放占53％，热力碳排放占21％。2017年后建筑直接碳排呈下降趋势，建筑电力碳排放仍维持在8％的增速，热力碳排放增速约3％。因此，降低建筑运行阶段用于保持室内舒适温度的电力、热力能耗与碳排放，可以有效降低建筑全过程的能耗与碳排放。使用具有良好保温隔热性能的混凝土材料用于建筑物外墙，可以有效提升建筑的保温隔热性能，降低建筑运行阶段的能耗与碳排放。将eps颗粒引入水泥基材料中，可提升混凝土的轻质保温、隔音降噪、抗震吸能等性能，又可以提升eps颗粒的防火、耐高温性能。
3.但是，由于eps轻骨料与水泥浆之间密度差过大，在eps混凝土拌制和浇筑过程中容易出现eps颗粒上浮、颗粒在硬化混凝土中分布不均匀等问题。现有技术多数采用对eps颗粒进行表面改性，来减少eps颗粒的上浮现象，比如专利cn114315412a一种改性eps颗粒及其改性方法、含有该改性eps颗粒的混凝土及其制备方法，该专利公开了，将粘接材料喷洒于eps颗粒表面，得到表面附着粘接材料的eps颗粒，然后用于混凝土，粘接材料包括括聚乙烯醇、环氧树脂、硅烷偶联剂和水；还比如专利cn110713391a一种节能建筑用轻质水泥保温板及制备方法，公开了先将eps发泡颗粒经偶联剂处理，然后浸润氢氧化钙饱和溶液，接着通入碳酸盐溶液，得到碳酸钙包覆改性的eps发泡颗粒；但是这些预处理方式不仅增加了混凝土的制备成本，而且预处理的工艺较为复杂，不利于开展现场施工。
4.此外，eps混凝土普遍存在低表观密度和高强度、低导热系数和高强度不能兼容等瓶颈技术问题。eps粒径及掺量会影响eps混凝土的表观密度、热工性能和力学性能。随着eps 颗粒掺量增大，eps混凝土的导热系数随之降低，但是其抗压强度会显著下降，干燥收缩也越大。针对于高比强的eps混凝土的研究，常用的方法是降低浆体的水胶比(一般低于0.3)，使用矿物掺和料辅助胶凝材料，提升硬化浆体的抗压强度。但是，采用较低水胶比，会使得硬化浆体自身的密度增加、导热系数提高，进而降低eps混凝土的保温隔热性能；另外，采用较低水胶比，增加水泥等胶凝材料的用量，导致eps混凝土成本增加、碳排量增加。
5.针对于eps轻质混凝土干缩较大这一现象，目前研究中较多选择使用宏观有机纤维用于抑制eps混凝土的干缩变形，但是宏观有机纤维的用量都偏大，例如宏观有机纤维的体积掺量占混凝土体积的5％以上。这会一定程度上提升eps混凝土的成本，而且宏观有机纤维熔点较低，耐高温性能较差，掺量过多，会极大地降低eps混凝土的高温后力学性能；若使用耐高温宏观有机纤维，则会进一步提升eps混凝土的成本。
6.混凝土的3d打印建造技术可以有效降低建筑施工阶段的能耗和碳排放。目前对于轻质混凝土的3d打印建造的研究中，存在的技术难题主要是相较于普通混凝土而言，一是轻质混凝土的干燥收缩较大，会严重影响到打印成型的混凝土的体积稳定性。另外，轻质混凝土的流动性、凝结时间与可打印性之间的依然存在矛盾，即早期强度、流动性、凝结时间与可打印时间窗口之间需要最佳平衡。
7.因此，采用低成本、工艺简单的制备方法，在解决eps颗粒上浮问题的基础上，实现eps 混凝土的轻质高强、低导热系数、低干缩性能，是解决可3d打印的eps混凝土的技术难题的有效途径。


技术实现要素：

8.针对现有eps混凝土技术难题，本发明提供一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料及其制备方法，制作出的eps混凝土具有较高的比强度、高保温性能和抗干缩性能。另外，本发明提供的eps混凝土施工方式简单、成本较低，无需对eps颗粒进行处理，就能实现eps颗粒在混凝土中均匀分布，且具有较好的流变性能，能够适用于3d打印建造方式。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料，其特征在于：包括以下质量份数的组分：胶凝材料100份；石英砂20～30份；水30～45份；减水剂；聚苯乙烯泡沫颗粒；纳米纤维；宏观有机纤维。
11.作为一种优选方案，所述早强功能剂为10～20份作为胶凝材料成分的快硬水泥，通过早强功能剂加入能够提高材料的早期强度，从而提高打印速度，快硬水泥同时具有胶凝材料和早强剂两种功能，此时，所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥和快硬水泥复配组成。
12.进一步优选，所述的快硬水泥的初凝时间小于45s。
13.作为一种优选方案，所述的石英砂的粒径范围是100～1000微米。
14.作为一种优选方案，所述的eps颗粒的粒径为1～5mm的连续级配，eps颗粒为浆体体积的62％～74％。
15.作为一种优选方案，所述的宏观有机纤维为浆体体积的0.01％～0.05％；
16.作为一种优选方案，所述宏观有机纤维的长度为12～16毫米，直径为18～40微米，杨氏模量大于等于42gpa。
17.作为一种优选方案，所述的纳米纤维为植物基纳米纤维素水分散液，其中纳米纤维的固含量为1.5～3.0％；纳米纤维的质量为胶凝材料质量的1.0％～3.0％。
18.作为一种优选方案，所述的减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率大于30％；减水剂为胶凝材料质量的0.5％～2.0％。
19.本发明还提供一种上述用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
20.(1)将宏观有机纤维与粉料胶凝材料、早强功能剂、石英砂混合，干拌至纤维均匀分散在胶凝材料和石英砂粉料中，得到混合物料；
21.(2)将纳米纤维、促凝剂、减水剂与拌和水均匀混合，搅拌直至得到混合均匀的拌和用悬浮液；所述混合在步骤(1)的混合物料中；
22.(3)将步骤(2)所得混合液体拌和用悬浮液缓慢倒入步骤(1)所得混合物料中，在
搅拌锅内低速搅拌30～60s，再高速搅拌120～180s，得到均匀的浆料；
23.(4)将聚苯乙烯泡沫颗粒匀速倒入浆料中，低速搅拌60～120s，再高速搅拌10～30s，得到混合均匀的浆料；即得到所述用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料。
24.本发明针对eps轻质骨料在水泥浆体中上浮现象与干缩大的现象，通过使用微纳尺度和宏观尺度的混杂有机纤维，调节水泥浆体自身的稠度和流动度，改善eps颗粒与水泥浆体之间的界面过渡区，实现不同尺寸的eps颗粒在硬化浆体中的均匀分布。同时，实现掺入较低掺量的混杂纤维，即可有效降低eps混凝土的28天龄期的干燥收缩率。
25.本发明针对eps混凝土的低密度与高强度、低导热系数和高强度难以兼顾的技术难题，采用颗粒连续堆积理论模型，对eps混凝土的配合比进行设计，实现固体粉末颗粒与不同粒径的eps颗粒实现最紧密堆积，实现eps混凝土的高比强。
26.与现有的技术相比，本发明提供的技术方法和产品具有以下有益效果：
27.(1)本发明制备的eps混凝土通过最紧密堆积的理论计算方法，合理设计eps颗粒的颗粒级配，通过掺加极少量的宏观有机纤维，有效改善eps混凝土的抗折强度，获得高比强的eps混凝土材料。可以有效解决eps混凝土制品强度低、比强度低等力学性能问题。
28.(2)本发明制备的eps混凝土材料具有适宜的流动度和较好的流变性能，可挤出性和可建造性良好，能够适用于3d打印快速成型。
29.(3)本发明制备的eps保温混凝土，通过配合比设计的优化，达到制品具有轻质、高比强、保温性能优异、不易燃的目的。本发明涉及的原材料易获得、工艺简单，效果显著。本发明制备的eps混凝土可以用于外墙、建筑围挡结构、屋面等的保温，可有效提升建筑的保温隔热效果。
具体实施方式
30.下面将对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例，而不是全部的实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1：
32.本实施例提供一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料，考虑以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，其中快硬水泥又作为早强功能剂，以石英砂和连续级配的eps 颗粒共同作为骨料，以纳米纤维和宏观有机纤维共同作为掺杂纤维进行eps混凝土材料的制备，具体的配比如下：
[0033][0034]
(1)按相应组分配比将宏观有机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、石英砂均匀混合，得到混合物料；
[0035]
(2)按相应组分配比将减水剂、纳米纤维与水混合，得到混合均匀的拌和用悬浮液；
[0036]
(3)将得到的混合物料在搅拌锅中预搅拌，再匀速加入拌和用悬浮液搅拌充分，最后将 eps颗粒匀速加入混合料中搅拌即得所要的高比强轻质eps保温混凝土材料。
[0037]
实施例2：
[0038]
本实施例提供一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料，考虑以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，其中快硬水泥又作为早强功能剂，以石英砂和连续级配的eps 颗粒共同作为骨料，以纳米纤维和宏观有机纤维共同作为掺杂纤维进行eps混凝土材料的制备，具体的配比如下：
[0039][0040]
(1)按相应组分配比将宏观有机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、石英砂均匀混合，得到混合物料；
[0041]
(2)按相应组分配比将减水剂、纳米纤维与水混合，得到混合均匀的拌和用悬浮液；
[0042]
(3)将得到的混合物料在搅拌锅中预搅拌，再匀速加入拌和用悬浮液搅拌充分，最后将 eps颗粒匀速加入混合料中搅拌即得所要的高比强轻质eps保温混凝土材料。
[0043]
实施例3：
[0044]
本实施例提供一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料，考虑以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，其中快硬水泥又作为早强功能剂，以石英砂和连续级配的eps 颗粒共同作为骨料，以纳米纤维和宏观有机纤维共同作为掺杂纤维进行eps混凝土材料的制备，具体的配比如下：
[0045][0046][0047]
(1)按相应组分配比将宏观有机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、石英砂均匀混合，得到混合物料；
[0048]
(2)按相应组分配比将减水剂、纳米纤维与水混合，得到混合均匀的拌和用悬浮液；
[0049]
(3)将得到的混合物料在搅拌锅中预搅拌，再匀速加入拌和用悬浮液搅拌充分，最后将 eps颗粒匀速加入混合料中搅拌即得所要的高比强轻质eps保温混凝土材料。
[0050]
实施例4：
[0051]
本实施例提供一种用于3d打印的高比强轻质eps保温混凝土材料，考虑以硅酸盐水泥和快硬水泥复配作为胶凝材料，其中快硬水泥又作为早强功能剂，以石英砂和连续级配的eps 颗粒共同作为骨料，以纳米纤维和宏观有机纤维共同作为掺杂纤维进行eps混凝土材料的制备，具体的配比如下：
[0052][0053]
(1)按相应组分配比将宏观有机纤维与硅酸盐水泥、快硬水泥、石英砂均匀混合，得到混合物料；
[0054]
(2)按相应组分配比将减水剂、纳米纤维与水混合，得到混合均匀的拌和用悬浮液；
[0055]
(3)将得到的混合物料在搅拌锅中预搅拌，再匀速加入拌和用悬浮液搅拌充分，最后将 eps颗粒匀速加入混合料中搅拌即得所要的高比强轻质eps保温混凝土材料。
[0056]
对比例1：
[0057]
本对比例提供一种轻质保温高比强eps混凝土材料，考虑只以硅酸盐水泥作为胶凝材料，以石英砂和连续级配的eps颗粒共同作为骨料，不掺加早强功能剂和宏观有机纤维，只添加纳米纤维进行eps混凝土材料的制备，具体的配比如下：
[0058][0059]
(1)按相应组分配比将硅酸盐水泥和石英砂均匀混合，得到混合物料；
[0060]
(2)按相应组分配比将减水剂、纳米纤维与水混合，得到混合均匀的拌和用悬浮液；
[0061]
(3)将得到的混合物料在搅拌锅中预搅拌，再匀速加入拌和用悬浮液搅拌充分，最后将eps颗粒匀速加入混合料中搅拌即得所要的高比强轻质eps保温混凝土材料。
[0062]
本发明实施例1-4与对比例1的筑模成型性能测试结果如表1所示。
[0063]
本发明中抗折、抗压强度的测定根据《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》(gb/t 17671-2021)进行操作。干表观密度、饱和吸水率的测定参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(jgj/t 12-2019)进行。导热系数利用便携式热传导仪测定，每组三个试块取平均值即可得到该组导热系数。流动度、稠度和干燥收缩率的测定根据《水泥胶砂干缩试验方法》(jc/t 603-2004)进行。
[0064]
表1各组eps混凝土的物理和力学性能指标
[0065][0066]
由表1可知，与对比例1相比，四组实施例中eps混凝土的强度、比强度值均高于对比例1组，其四组实施例中eps混凝土的饱和吸水率和导热系数值低于对比例1。四组实施例中eps混凝土的比强度很高，抗折强度-表观密度比强度在4000-4600n
·
m/kg之间，抗压强度
ꢀ‑
表观密度比强度在9000-10000n
·
m/kg之间。这说明，通过掺加快硬水泥调节eps混凝土凝结时间，促进eps混凝土的早期强度发展；同时掺入宏观有机纤维后，在一定掺量范围内，宏观有机纤维有效抑制了eps混凝土裂缝的产生和发展，eps混凝土孔结构得到改善，微结构孔径被细化，从而使eps混凝土导热系数明显降低，比强度值提升。
[0067]
表2各组eps混凝土的干燥收缩率
[0068][0069]
由表2可知，与对比例1相比，四组实施例表现出优异的抑制eps混凝土干燥收缩的性能，特别是对14天龄期以后的后期干燥收缩抑制效果明显。其中，实施例2，实施例3，实施例4的eps混凝土在28天龄期的干燥收缩率远低于对比例1。
[0070]
表3各组eps混凝土材料的流变性能指标
[0071]
组别动态屈服应力(pa)塑性粘度(pa.s)实施例129.702.57实施例240.103.00
实施例337.252.67实施例448.031.85对比例190.312.39
[0072]
由表3可知，与对比例1相比，实施例1、实施例2和实施例3中低掺量的混杂有机纤维可以大幅度降低eps混凝土材料的动态屈服应力，同时提升其塑性粘度。与对比例1相比，实施例3中，随着混杂有机纤维的掺量增加，eps混凝土材料的塑性黏度有所降低。实施例中混凝土材料的低动态屈服应力和适宜的塑性粘度，混凝土材料表现出良好的流变性，有利于混凝土材料的顺利泵送和挤出，使得混凝土材料的具有好的可打印性。
[0073]
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。