本發(fā)明涉及一種綠色建筑材料及其制造方法,具體涉及一種用于3D打印的綠色建筑材料及其打印方法。
背景技術(shù)：
綠色建筑是在全壽命期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。而制造綠色建筑所需的材料，即綠色建筑材料。
現(xiàn)有技術(shù)中，結(jié)構(gòu)性建筑材料大都使用了攪拌+澆筑的工藝，雖然技術(shù)成熟，但是整個(gè)生產(chǎn)流程規(guī)模龐大、設(shè)備沉重，本專利的用于3D打印的綠色建筑材料一旦投入生產(chǎn)，其生產(chǎn)設(shè)備方便靈活的特點(diǎn)便能凸顯出來。
現(xiàn)有技術(shù)中，裝飾性建筑材料大都以涂料、油漆、鍍層、貼面、瓷磚和玻璃為主，李洲的一種新型保溫復(fù)合墻板采用了XPS與砂漿的復(fù)合。本專利中3D打印的超高性能混凝土可直接做成墻體裝飾層。既將原本互不相干的結(jié)構(gòu)建材與裝飾建材統(tǒng)一在了一起，相較于涂料、瓷磚，降低了成本又增強(qiáng)了耐用性。
現(xiàn)有技術(shù)中，綠色建筑材料的循環(huán)利用多來源于動(dòng)植物殘?jiān)c化工廢料，青島優(yōu)維奧信息技術(shù)有限公司的一種環(huán)保綠色建筑材料專利主要運(yùn)用了醇酸樹脂、密胺樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、海螺殼粉與表蛤殼粉等。本專利的原料多取自采掘業(yè)與冶金業(yè)的廢棄物，此類廢棄物數(shù)量龐大、環(huán)境影響顯著，合理利用這些廢棄物可以大大減輕環(huán)境負(fù)荷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于3D打印的綠色建筑材料及其打印方法，所述建筑材料其具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)性、裝飾性的特點(diǎn)，本發(fā)明的建筑材料可以同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)性與裝飾性的需求，在使用了大量的工業(yè)廢渣的同時(shí)，性能還要優(yōu)于一般的建筑材料，所以不但符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展的需求，而且沒有降低本建筑材料的使用性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：
一種用于3D打印的綠色建筑材料，按重量百分計(jì)包括如下組分：
硅酸鹽水泥： 20.0%～25.0%
工業(yè)廢渣： 15.0%～20.0%
細(xì)骨料： 25.0%～30.0%
粗骨料： 15.0%～20.0%
高效減水劑： 0.62%～0.81%
消泡劑： 0.0020%～0.0025%
速凝劑： 1.0%～5.0%
水 ： 7.0%～10.0%
鋼纖維： 0.0%～3.68%
高強(qiáng)纖維： 0.0%～0.008%；
或
鋁酸鹽水泥： 15.0%～20.0%
工業(yè)廢渣： 15.0%～20.0%
細(xì)骨料： 35.0%～40.0%
粗骨料： 15.0%～20.0%
高效減水劑： 0.62%～0.81%
消泡劑： 0.0015%～0.0025%
水 ： 7.5%～8.0%
鋼纖維： 0.0%～3.68%
高強(qiáng)纖維： 0.0%～0.008%。
以上配比中，硅酸鹽水泥為標(biāo)號(hào)42.5及以上的硅酸鹽水泥；鋁酸鹽水泥為標(biāo)號(hào)CA-50或CA-70的鋁酸鹽水泥。
以上配比中，工業(yè)廢渣選自粒徑為微納米級(jí)的硅灰、礦渣微粉、粉煤灰和尾礦粉中的任意一種或幾種。
以上配比中，速凝劑選用初凝時(shí)間為1～5min,終凝時(shí)間為5～10min的鋁氧熟料。
以上配比中，消泡劑為液體有機(jī)硅。
以上配比中，高效減水劑為減水率大于40%的聚羧酸減水劑。
以上配比中，細(xì)骨料選用粒徑小于2.5mm的黃砂、石英砂和尾礦砂中任意一種或幾種。
以上配比中，粗骨料選用粒徑為5mm-16mm的碎石、卵石和尾礦石中任意一種或幾種。
以上配比當(dāng)中，高強(qiáng)纖維包括有機(jī)纖維或無機(jī)非金屬纖維中的一種或多種。
一種用于3D打印的綠色建筑材料的打印方法，包括如下步驟：
（a）將水泥、工業(yè)廢渣、細(xì)骨料、粗骨料按比例稱量好放入攪拌機(jī)中混合均勻；
（b）將溶有高效減水劑、消泡劑、速凝劑和水的混合溶液加入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌直至變成粘性漿體狀態(tài)；
（c）將鋼纖維和高強(qiáng)纖維分散到漿體中繼續(xù)攪拌均勻；
（d）將混合均勻的混凝土從攪拌機(jī)中轉(zhuǎn)移到3D打印的準(zhǔn)備系統(tǒng)中，按所需建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：
（1）所用原材料來源是循環(huán)利用的，大量使用工業(yè)廢渣，有利于綠色可持續(xù)發(fā)展。
（2）將先進(jìn)的3D打印技術(shù)與綠色建筑材料完美融合，借助3D打印技術(shù)成型不受形狀限制的優(yōu)點(diǎn)，制造出形狀各異的綠色建筑，滿足了有特殊需求的建筑設(shè)計(jì)。
（3）本材料可以滿足建筑結(jié)構(gòu)中的一些復(fù)合式設(shè)計(jì)，讓建筑墻體充分地減重，但是強(qiáng)度依然很高，而且恰好發(fā)揮了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一種3D打印的綠色建筑材料中采用的鋼纖維直徑為0.17～0.2mm，長(zhǎng)度為6～20mm，抗拉強(qiáng)度大于1800MPa。
本發(fā)明的一種3D打印的綠色建筑材料中采用的高強(qiáng)纖維包括有機(jī)纖維、無機(jī)非金屬纖維中的一種或多種。其中，有機(jī)纖維為聚乙烯醇纖維、芳綸纖維或超高分子量聚乙烯纖維及其混合物，無機(jī)非金屬纖維為玻璃纖維、碳纖維或玄武巖纖維及其混合物。其中，聚乙烯醇纖維直徑為26～40um，長(zhǎng)度為6～20mm，抗拉強(qiáng)度大于1600MPa；芳綸纖維直徑為15～40um，長(zhǎng)度為30～50mm，抗拉強(qiáng)度大于3000MPa；超高分子量聚乙烯纖維直徑為20～50um，長(zhǎng)度為20～30mm，抗拉強(qiáng)度大于3200MPa；玻璃纖維直徑為5～13um，長(zhǎng)度為6～20mm，抗拉強(qiáng)度大于2000MPa；碳纖維直徑為10～20um，長(zhǎng)度為6～20mm，抗拉強(qiáng)度大于3000MPa；玄武巖纖維直徑為13～17um，長(zhǎng)度為6～20mm，抗拉強(qiáng)度大于2500MPa。
實(shí)施例1
選取20.0%的52.5硅酸鹽水泥、9.0%硅灰、10.0%礦渣、30.0%黃砂細(xì)骨料以及20.0%碎石粗骨料放入攪拌機(jī)中混合拌勻，將溶有0.7%減水劑、0.0025%消泡劑、1.5%速凝劑和8.8%水的混合液加入到攪拌機(jī)內(nèi)，使固體原料由分散狀態(tài)變?yōu)檎承詽{體狀態(tài)，由此得到超高性能混凝土，制備好的快硬超高性能混凝土具有良好的工作性，將其輸送至超高性能混凝土3D打印系統(tǒng)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建造一個(gè)三維模型，接下來將三維模型轉(zhuǎn)到3D打印立體造型術(shù)的接口協(xié)議（STL），即從CAD制圖轉(zhuǎn)換到STL模板，接下來轉(zhuǎn)到疊層制造（AM）機(jī)器和STL文件處理，將STL的文件拷貝到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制三維打印機(jī)工作，再將3D打印機(jī)機(jī)器設(shè)置為打印混凝土的制作需求，填充混凝土及其他打印機(jī)所需要材料，逐層進(jìn)行混凝土打印，直至完成綠色建筑的建造過程，最終得到3D打印超高性能混凝土新型綠色方形建筑。
實(shí)施例2
選取25.8%的CA-50鋁酸鹽水泥、8.0%硅灰、10.0%礦渣、28.0%黃砂細(xì)骨料以及20.0%卵石粗骨料放入攪拌機(jī)中混合拌勻，將溶有0.7%減水劑、0.0015%消泡劑和7.5%水的混合液加入到攪拌機(jī)內(nèi)，使固體原料由分散狀態(tài)變?yōu)檎承詽{體狀態(tài)，由此得到超高性能混凝土，制備好的鋁酸鹽快硬超高性能混凝土具有良好的工作性，將其輸送至超高性能混凝土3D打印系統(tǒng)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建造一個(gè)三維模型，接下來將三維模型轉(zhuǎn)到3D打印立體造型術(shù)的接口協(xié)議（STL），即從CAD制圖轉(zhuǎn)換到STL模板，接下來轉(zhuǎn)到疊層制造（AM）機(jī)器和STL文件處理，將STL的文件拷貝到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制三維打印機(jī)工作，再將3D打印機(jī)機(jī)器設(shè)置為打印混凝土的制作需求，填充混凝土及其他打印機(jī)所需要材料，逐層進(jìn)行混凝土打印，直至完成綠色建筑的建造過程，最終得到3D打印超高性能混凝土新型綠色方形建筑。
實(shí)施例3
選取25.5%的CA-70鋁酸鹽水泥、8.0%硅灰、10.0%礦渣、28.2%黃砂細(xì)骨料以及20.0%卵石粗骨料放入攪拌機(jī)中混合拌勻，將溶有0.7%減水劑、0.0015%消泡劑和7.6%水的混合液加入到攪拌機(jī)內(nèi)，使固體原料由分散狀態(tài)變?yōu)檎承詽{體狀態(tài)，由此得到超高性能混凝土，制備好的鋁酸鹽快硬超高性能混凝土具有良好的工作性，將其輸送至超高性能混凝土3D打印系統(tǒng)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建造一個(gè)三維模型，接下來將三維模型轉(zhuǎn)到3D打印立體造型術(shù)的接口協(xié)議（STL），即從CAD制圖轉(zhuǎn)換到STL模板，接下來轉(zhuǎn)到疊層制造（AM）機(jī)器和STL文件處理，將STL的文件拷貝到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制三維打印機(jī)工作，再將3D打印機(jī)機(jī)器設(shè)置為打印混凝土的制作需求，填充混凝土及其他打印機(jī)所需要材料，逐層進(jìn)行混凝土打印，直至完成綠色建筑的建造過程，最終得到3D打印超高性能混凝土新型綠色尖頂建筑。
實(shí)施例4
選取20.0%的52.5硅酸鹽水泥、9.0%硅灰、10.0%礦渣、30.0%黃砂細(xì)骨料以及15.0%碎石加上5.0%尾礦石粗骨料放入攪拌機(jī)中混合拌勻，將溶有0.7%減水劑、0.0025%消泡劑、1.5%速凝劑和8.8%水的混合液加入到攪拌機(jī)內(nèi)，使固體原料由分散狀態(tài)變?yōu)檎承詽{體狀態(tài)，由此得到超高性能混凝土，往攪拌機(jī)內(nèi)加入0.008%經(jīng)分散過的PVA纖維，制備好的纖維增強(qiáng)快硬超高性能混凝土具有自良好的工作性，將其輸送至超高性能混凝土3D打印系統(tǒng)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建造一個(gè)三維模型，接下來將三維模型轉(zhuǎn)到3D打印立體造型術(shù)的接口協(xié)議（STL），即從CAD制圖轉(zhuǎn)換到STL模板，接下來轉(zhuǎn)到疊層制造（AM）機(jī)器和STL文件處理，將STL的文件拷貝到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制三維打印機(jī)工作，再將3D打印機(jī)機(jī)器設(shè)置為打印混凝土的制作需求，填充混凝土及其他打印機(jī)所需要材料，逐層進(jìn)行混凝土打印，直至完成綠色建筑的建造過程，最終得到3D打印超高性能混凝土外立面雕塑的建筑。
實(shí)施例5
選取19.45%的52.5硅酸鹽水泥、9.0%硅灰、10.0%礦渣、30.0%黃砂細(xì)骨料以及12.0%碎石加上5.0%尾礦石粗骨料放入攪拌機(jī)中混合拌勻，將溶有0.7%減水劑、0.0025%消泡劑、1.5%速凝劑和8.8%水的混合液加入到攪拌機(jī)內(nèi)，使固體原料由分散狀態(tài)變?yōu)檎承詽{體狀態(tài)，由此得到超高性能混凝土，往攪拌機(jī)內(nèi)加入0.008%的PVA纖維和3.55%鋼纖維，制備好的纖維增強(qiáng)快硬超高性能混凝土具有良好的工作性，將其輸送至超高性能混凝土3D打印系統(tǒng)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建造一個(gè)三維模型，接下來將三維模型轉(zhuǎn)到3D打印立體造型術(shù)的接口協(xié)議（STL），即從CAD制圖轉(zhuǎn)換到STL模板，接下來轉(zhuǎn)到疊層制造（AM）機(jī)器和STL文件處理，將STL的文件拷貝到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)控制三維打印機(jī)工作，再將3D打印機(jī)機(jī)器設(shè)置為打印混凝土的制作需求，填充混凝土及其他打印機(jī)所需要材料，逐層進(jìn)行混凝土打印，直至完成綠色建筑的建造過程，最終得到3D打印超高性能混凝土新型綠色穹頂建筑。