本发明涉及砂浆技术领域，尤其涉及一种可用于3D建筑打印的新型高强高韧防水砂浆材料及其制备方法。
背景技术：
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印技术被誉为第三次工业革命的关键技术，它是通过数字技术材料打印机来实现的，通过三维扫描，CAD构图，然后用3D打印机把实物制造出来，3D打印技术的运用十分广泛，在模具制造、工业设计可以用于零件的直接制造，同时在建筑、工程与施工、航空航天、汽车等领域也都有所运用。
3D打印技术应用于建筑行业时，在3D打印机喷头喷出的“油墨”为包括砂浆(含混凝土，砂浆中骨料变大颗粒后，即为混凝土)在内的物料。为满足3D打印的需要，砂浆必须具备更好的流变性且能在空气中迅速凝结，还需要解决各层之间如何完美无缺的结合问题，这需要新型外加剂来完成。也就是说，要达到理想的3D打印效果，用于3D打印建筑的砂浆在自身性质上需要具备以下四个特点：(1)出了输送管后，固化速度快；(2)自养护性能好；(3)在输送管内流动性好，易于提升与泵送；(4)粘结度高；5)加入防水剂和乳胶粉，可以确保外墙、内墙都有防水作用，变传统的外墙局部防水为整体防水；其中，通过在混凝土中添加自养护剂，可以使混凝土在自然养护的状态下转化为稳定的结晶，从而得到较大的强度，通过添加减水剂等泵送剂可以改善混凝土的流动性质。
在建筑工程中普遍使用的混凝土并不具备可以用于3D打印的性质。
技术实现要素：
本发明提供了一种可用于3D建筑打印的新型高强高韧防水砂浆材料及其制备方法，该砂浆材料流动性好，固化速度快，适用于3D建筑打印，且墙体成型后，整体防水性能优异，具有高强度、高韧性的特点。
本发明提供了如下技术方案：
一种可用于3D建筑打印的新型高强高韧防水砂浆材料，包括以下重量份数的原料：
42.5#水泥100份；
平均粒径为0.180～2.00mm砂子100～150份；
长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.1～1份；
长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.1～1份；
长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.1～1份；
长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.1～1份；
长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.1～1份；
长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.1～1份；
HPMC纤维素0.05～0.5份；
粉煤灰2～20份；
减水剂0.05～0.5份；
消泡剂0～0.2份；
引气剂0～0.2份；
水25～45份。
本发明所述的砂浆材料也可以为混凝土材料，当砂浆材料中骨料颗粒变大后即为混凝土。
传统混凝土必须通过外部支撑的模板、钢筋才能够堆积定型，并且传统混凝土只具有良好的抗压能力，但是抗拉伸能力较弱。本发明利用不同长度规格的混合纤维增加混凝土的粘结能力，均匀混合了短切混合纤维，得到的混凝土材料“打印”的建筑材料，能够快速堆积成型，且防水、防裂，具有极佳的抗压性、抗拉性。
聚乙烯醇纤维具有很好的机械性能，其强度高、模量高、极限延伸率低，并且具有良好的耐酸碱性、耐光性、耐腐蚀性。聚丙烯纤维在砂浆中呈均匀三维乱向分布，形成网络加强体系。若每吨砂浆中掺入1kg重的聚丙烯纤维，则可得到3000万根以上的单丝纤维；在砂浆中加入聚丙烯纤维，可以有效减少砂浆在塑性状态的收缩裂缝(不论这些裂缝是可见的还是不可见的)，并能明显减少新拌砂浆的表面泌水与集料沉降；对于砂浆硬化体，聚丙烯纤维可以显著降低变形裂缝的数量，即当砂浆硬化体因变形产生应力时能够抵抗和传递应力，当砂浆硬化体产生裂缝时，能够钝化裂缝尖端的应力集中，约束裂缝扩展。玄武岩是一种高性能的火山岩组份，这种特殊的硅酸盐，使玄武岩纤维具有优良的耐化学性，特别具有耐碱性的优点，因此，玄武岩纤维是用于增强水泥混凝土的优良材料，也是替代聚酯纤维、木质素纤维等用于混凝土极具竞争力的产品，可以提高混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性等。除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，具有和砂浆、混凝土天然的相容性，新拌的砂浆、混凝土体积稳定，和易性非常的好。
本发明所使用的混合纤维之间具有良好的协同作用。聚乙烯醇纤维的强度非常高，但是比较难以分散在砂浆中；聚丙烯纤维和玄武岩纤维非常容易分散在砂浆中，聚丙烯纤维和玄武岩纤维可以增加聚乙烯醇纤维在砂浆中的分散性，三者相互补充，在混凝土和砂浆内部易构成一种均匀的三维分布的网格体系，且在砂浆输送机的定子转子推送以及管道内的挤压，纤维网络形成一定方向的分布；三者的长短相互补充，可以在保留砂浆、混凝土抗压强度高的同时，大大增加其抗拉、耐磨、抗冲击的性能，可以在砂浆、混凝土工程中起到加固补强、增强增韧、延长使用寿命等作用，使建筑耐温、抗收缩以及耐腐蚀。
本发明的混凝土材料还掺入较多的粉煤灰，粉煤灰与水泥水化过程产生的Ca(OH)2作用发生火山灰反应，消耗掉部分热膨胀系数较高的Ca(OH)2，生成CSH等热膨胀系数较低的产物。由于混合后的混凝土材料与混凝土、钢筋的热膨胀系数相差不大，因此在热环境下，本发明的混凝土材料能够与混凝土和钢筋协调变形、共同工作。采用防护热板法测量本发明的混凝土材料的导热系数为0.529W/m·K，明显低于混凝土和砂浆的导热系数(分别为1.74W/m·K和0.93W/m·K)，在保温方面远优于单一的混凝土和砂浆。
本发明混凝土材料的强度和使用年限大大高于传统的钢筋混凝土材料，具有高耐久性、高韧性和控裂能力强的特点；并且可回收利用，大大减轻传统建筑废料造成的环境压力。
作为优选，一种可用于3D建筑打印的新型高强高韧防水砂浆材料，包括以下重量份数的原料：
42.5#水泥100份；
平均粒径为0.180～2.00mm砂子100～150份；
长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.1～0.2份；
长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.2～0.4份；
长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.1～0.2份；
长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.2～0.4份；
长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.1～0.2份；
长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.2～0.4份；
HPMC纤维素0.05～0.5份；
粉煤灰2～20份；
减水剂0.05～0.5份；
消泡剂0～0.2份；
引气剂0～0.2份；
有机硅防水剂0.2～0.4份；
可再分散乳胶粉0.1～0.5份；
水25～45份。
本发明的砂浆材料还掺入有机硅防水剂，有机硅防水剂中含有的活性化学物质与混凝土中游离子交互反应生成不溶于水的结晶物，结晶物在结构孔缝中吸水膨大，由疏至密，使混凝土结构表层向纵深逐渐形成一个至密的抗渗区域，大大提高了结构整体的抗渗能力。活性物质多年以后仍能被水激活，不断生成新的渗透结晶物，具有长久的自我修复性能，可达到长久性的防水、防潮和保护钢筋、增强混凝土结构强度的目的。
本发明的砂浆材料还掺入可再分散乳胶粉，可再分散乳胶粉为水溶性可再分散粉末，分为乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物、醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物、丙烯酸共聚物等等，喷雾干燥后制成的粉体粘合剂，以聚乙烯醇作为保护胶体。这种粉体在与水接触后可以很快再分散成乳液，可再分散乳胶粉具有高粘结能力和独特的性能，如：抗水性，施工性及隔热性等。
加入有机硅防水剂和可再分散乳胶粉，可以确保外墙、内墙都有防水作用，变传统的外墙局部防水为整体防水。
作为优选，本发明的防水砂浆材料还包括：偏高岭土5～15份、硅灰5～15份。
硅灰能显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，具有极强的火山灰效应，提高硬化体的力学性能和耐久性；偏高岭土能提高早期强度并且能进一步改善混凝土的耐久性能。
偏高岭土和硅灰导致新拌混凝土坍落度的下降，含偏高岭土的新拌混凝土坍落度下降更明显；偏高岭土和硅灰均具有良好的促强作用，偏高岭土的早期促强作用更优，且对混凝土抗折强度的提高更显著；随着偏高岭土和硅灰掺量的增加，混凝土中氯离子扩散系数显著下降，偏高岭土和硅灰对于混凝土抗氯离子渗透性的改善效果类似；偏高岭土和硅灰均降低了混凝土14d龄期后的干缩，偏高岭土降低混凝土干缩的效果较硅灰更好。
本发明还提供了上述防水砂浆材料的制备方法，包括：
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子100～150份，粉煤灰2～20份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1～2分钟，温度为常温。
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.1～1份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.1～1份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.1～1份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.1～1份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.1～1份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.1～1份，HPMC纤维素0.05～0.5份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2～4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂0.05～0.5份，消泡剂0～0.2份，引气剂0～0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3～5分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水25～45份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为4～6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得到防水砂浆材料。
作为优选，在步骤(1)中还加入偏高岭土5～15份、硅灰5～15份，和水泥、砂子一起送入干粉搅拌机中进行混合搅拌。
作为优选，在步骤(3)中还加入有机硅防水剂0.2～0.4份、可再分散乳胶粉0.1～0.5份。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的防水砂浆材料流动性好，固化速度快，适用于3D建筑打印，具有优良的力学性能，其28d抗压强度达到50～60MPa以上，极限应变为0.75～3.37％，抗拉强度达到6.4～10.2MPa；并且砂浆成型后，整体防水性能优异。
具体实施方式
实施例1
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子100份，粉煤灰2份，偏高岭土5份、硅灰5份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1分钟，温度为常温。
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.5份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.25份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.5份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.25份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.5份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.25份，HPMC纤维素0.05份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂0.01份，消泡剂0.01份，引气剂0.01份，有机硅防水剂0.3份，可再分散乳胶粉0.3份，加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水30份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为4分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明的防水砂浆材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到63MPa以上，极限应变为0.7～0.9％，抗拉强度为6.1～7.3MPa。
实施例2
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子150份，粉煤灰15份，偏高岭土15份、硅灰15份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2分钟，温度为常温。
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.2份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.8份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.2份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.8份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.2份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.8份，HPMC纤维素0.15份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂0.2份，消泡剂0.2份，膨胀纤维抗裂防水剂0.2份，引气剂0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为5分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水45份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明的防水砂浆材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到51MPa以上，极限应变为0.75％，抗拉强度为6.4MPa。
实施例3
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子120份，粉煤灰7份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1分钟，温度为常温。
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.1份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.2份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.1份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.2份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.1份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.2份，HPMC纤维素0.1份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂0.1份，消泡剂0.1份，膨胀纤维抗裂防水剂0.15份，引气剂0.1份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为4分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水40份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为5分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明的防水砂浆材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到55MPa以上，极限应变为1.5％，抗拉强度为7.3MPa。
实施例4
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子120份，粉煤灰7份偏高岭土7份、硅灰7份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1分钟，温度为常温；
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维0.1份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维0.2份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维0.1份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维0.2份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维0.1份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维0.2份，HPMC纤维素0.1份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2～4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂1份，消泡剂0.1份，膨胀纤维抗裂防水剂0.2份，引气剂0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3～5分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水40份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为4～6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明混凝土材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到65MPa，极限应变为2.37％，抗拉强度为9.8MPa。
对比例1
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子100份，粉煤灰2份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1分钟，温度为常温；
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维1份，长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维5份，HPMC纤维素0.05～0.15份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂1份，消泡剂0.01份，引气剂0.1份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水30份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为4～6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明混凝土材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到49～52MPa，极限应变为0.019～0.021％，抗拉强度为3.8～4.5MPa。
对比例2
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子100份，粉煤灰15份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1～2分钟，温度为常温；
(2)按重量份数计，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维1份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维5份，HPMC纤维素0.05～0.15份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂2份，消泡剂0.2份，膨胀纤维抗裂防水剂0.2份，引气剂0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水40份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明混凝土材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到50～51.5MPa，极限应变为0.021～0.022％，抗拉强度为4.3～4.8MPa。
对比例3
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子100份，粉煤灰15份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2分钟，温度为常温；
(2)按重量份数计，取长度为9～12mm的短切聚丙烯纤维1份，长度为9～12mm的短切聚乙烯醇纤维1份，长度为9～12mm的短切玄武岩纤维1份，HPMC纤维素0.15份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂1份，消泡剂0.01份，膨胀纤维抗裂防水剂0.2份，引气剂0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水45份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明混凝土材料。
对该防水砂浆材料进行测试，其28d抗压强度达到51～53MPa，极限应变为0.028～0.03％，抗拉强度为4.7～5MPa。
对比例4
(1)按重量分数计，取42.5#水泥100份，平均粒径为0.180～2.00mm砂子120份，粉煤灰7份偏高岭土7份、硅灰7份，送入干粉搅拌机进行混合搅拌，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为1分钟，温度为常温；
(2)按重量份数计，取长度为6～9mm的短切聚丙烯纤维5份，长度为6～9mm的短切聚乙烯醇纤维5份，长度为6～9mm的短切玄武岩纤维5份，HPMC纤维素0.1份，加入到步骤(1)中获得的混合物中进行混合搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为2～4分钟，形成预混干粉；
(3)按重量份数计，将减水剂1份，消泡剂0.1份，膨胀纤维抗裂防水剂0.2份，引气剂0.2份加入到步骤(2)中获得的预混干粉中进行搅拌，搅拌温度为常温，搅拌机转速为60～80转每分钟，时间为3～5分钟；
(4)将上述步骤(3)中获得的预混干粉输送到混合搅拌机中，加入水40份，混合搅拌均匀，搅拌时间约为4～6分钟，搅拌温度≥5℃；
(5)将步骤(4)中获得的混合物采用挤出机挤出，挤出机的转速为50～100转每分钟，得本发明混凝土材料。
对该防水砂浆材料进行测试，28d抗压强度达到51.5～52.3MPa，极限应变为0.027～0.029％，抗拉强度为4.97～5.1MPa。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。