本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种用于3D打印的轻骨料混凝土及其制备方法与应用。
背景技术：
混凝土是当代建筑中使用量最大、范围最广的建筑材料，其发展有200年的历史，已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，对建筑工程贡献巨大。但是，传统建筑技术中，混凝土的使用又会产生很高比例的建筑垃圾。中国每年会产生约6亿吨的建筑垃圾。加之人力成本的增加，作为混凝土使用量极高的建筑行业将迎来一次巨大的挑战。所以，需要在建筑行业中，开发一种新型的施工材料及施工技术替代传统的施工工艺，从而减少以混凝土为主的建筑垃圾的生成量。近年来，新兴的结合了3D打印技术的3D打印混凝土及其施工技术的出现，成为是建筑领域的一大创新，以增材建造为主要特点来减少混凝土类建筑垃圾的生成量，必将掀起未来建筑领域的技术革命。混凝土3D打印技术通过计算机进行三维建模，利用相应程序控制机械设备逐层打印成混凝土结构，在建造过程中取消了支模拆模的复杂过程，极大地提高了生产效率。
但是，打印结构在成型过程中无模具支撑，这就要求混凝土拌合物需要承受自重以及其他荷载的作用，在不变形的条件下迅速凝结，达到目标强度。传统混凝土材料已经不能满足3D打印技术的要求，混凝土材料的选择和配比亟待改进。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种堆叠性能好的用于3D打印的轻骨料混凝土及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于3D打印的轻骨料混凝土，该混凝土包括以下重量份的组分：
硅酸盐水泥是工程最常用的水泥，掺加一定量的粉煤灰和硅灰可以在混凝土内形成更密实的结构，从而提高混凝土的力学性能，骨料是混凝土的骨架，本专利考虑到打印设备的管道尺寸和喷嘴尺寸，仅采用细骨料，同时，通过外加剂的调节使混凝土进一步满足打印的要求，其中，外加剂包括速凝剂、早强剂和絮凝剂。
优选的，所述的硅酸盐水泥的型号为42.5R，所述粉煤灰的等级为Ⅰ级，所述硅灰的等级为Ⅰ级。42.5R的硅酸盐水泥具有一定的早强效果，使得混凝土具有更短的初凝和终凝时间，打印出的混凝土能够更快地成型。I级的粉煤灰和硅灰具有更大的表面积，活性更强。掺加粉煤灰和硅灰可以填补水泥颗粒的空隙，使混凝土结构具有更优的性能。
优选的，所述的速凝剂为无碱液态的速凝剂，包括以硫酸铝为主要组分的速凝剂、以硫酸铝和铝酸钠为主要组分的速凝剂、以硫酸铝和氢氧化铝为主要组分的速凝剂、以硫酸铝和氟化钠为主要组分的速凝剂或以硫酸铝和硫酸镁为主要组分的速凝剂。速凝剂可以极大地缩短混凝土的初凝时间和终凝时间，使混凝土从打印喷头挤出后即可成型。
优选的，所述的早强剂为无机盐类早强剂、有机化合物早强剂或复合型早强剂和早强减水剂中的一种，其中，所述无机盐类早强剂为包含氯化物、硫酸盐、亚硝酸盐或碳酸盐的具有早强作用的外加剂；所述有机化合物早强剂为包含甲醇、乙醇、乙二醇、三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇胺或尿素的具有早强作用的外加剂，所述复合型早强剂和早强减水剂为包含同时包含无机盐类早强剂及有机化合物早强剂的混合早强剂。早强剂可以提高混凝土的早期强度，使混凝土具有足够的强度形成自支撑。
优选的，所述的絮凝剂为水溶性有机聚合物、微细无机材料、有机水溶性絮凝剂或有机材料乳液，其中，所述水溶性有机聚合物包括纤维脂、淀粉胶、聚氛乙烯、聚丙烯酰胺、羧乙烯基聚合物或聚乙烯醇，这些材料可以增加新拌混凝土的粘度，所述微细无机材料包括如硅灰、硅酸铝、膨润土或硅藻土，这些材料能增加新拌混凝土的保水能力，增加密实性，所述有机水溶性絮凝剂包括带有烃基的苯乙烯共聚合物、天然胶、水溶性多糖聚合物或威兰树脂，这些材料也能增加新拌混凝土的粘度，所述有机材料乳液包括丙烯酸乳液或石蜡乳液，这些材料可提高水泥颗粒之间的吸引力。
优选的，所述的轻骨料包括粒径为0～5mm的陶粒，其中，粒径为3～5mm陶粒、粒径为1～3mm陶粒与粒径为0～1mm陶粒的质量比为(20～40)：(60～80)：(30～50)。3D打印混凝土需要满足自支撑的要求，采用轻质骨料可以减轻混凝土的自重，从而具有更好的自支撑性。同时，采用该质量比可以保证轻骨料的级配良好。
优选的，所述的陶粒包括页岩陶粒或粉煤灰陶粒。
一种如上所述用于3D打印的轻骨料混凝土的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)将不同粒径的陶粒混合均匀，得到轻骨料备用；将硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、速凝剂、早强剂、絮凝剂混合均匀，制得混合粉料；
(2)将步骤(1)制得的轻骨料和混合粉料混合均匀，得到混合原料；
(3)在3D打印前，将混合原料与水混合，搅拌均匀后加入至3D打印机中进行打印。
首先将粉料进行混合，有利于工程的实际应用，粉料在工厂内混合后可以直接装袋，在工程现场加水拌合后即可以进行打印。
一种如上所述用于3D打印的轻骨料混凝土的应用，该混凝土用做3D打印机建造混凝土结构的原料，所述混凝土结构包括保温隔热的轻质墙体。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)自身重量和传统的混凝土材料相比，显著降低10％～30％，大大减小了打印过程中上层混凝土对下层混凝土的压力，减小了底层混凝土的塑性变形，同时减小了垮塌的可能性；
(2)由于轻骨料中存在孔隙，该混凝土材料具有隔热和保温的功能。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种用于3D打印的轻骨料混凝土，包括如下重量份的原料：42.5R普通硅酸盐水泥100份、I级粉煤灰30份、I级硅灰1份、水20份、速凝剂2份、早强剂2份、絮凝剂1份、轻骨料100份。
轻骨料的原料及其重量比为：3-5mm粉煤灰陶粒：1-3mm粉煤灰陶粒：0-1mm陶瓷颗粒＝20：80：30。
上述用于3D打印的轻骨料混凝土的制备方法包括如下步骤：
步骤1：按配方量将0-1mm的陶瓷颗粒、1-3mm粒径的粉煤灰陶粒和3-5mm的粉煤灰陶粒进行混合，搅拌均匀，制得轻骨料原料，备用；
步骤2：按配方量将42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、速凝剂、早强剂和絮凝剂混合，搅拌均匀，制得混合物，备用；
步骤3：按配方量将步骤1制得的轻骨料原料加入步骤2制得的混合物中，搅拌均匀，制得粉料，备用；
步骤4：按配方量将步骤3中制得的粉料与水混合，搅拌均匀，制得用于3D打印的轻骨料混凝土。
实施例2
一种用于3D打印的轻骨料混凝土，包括如下重量份的原料：42.5R普通硅酸盐水泥100份、I级粉煤灰30份、I级硅灰5份、水25份、速凝剂3份、早强剂3份、絮凝剂1份、轻骨料120份。
轻骨料的原料及其重量比为：0-1mm的陶瓷颗粒：3-5mm页岩陶粒：1-3mm粉煤灰陶粒＝30：30：70。
上述用于3D打印的轻骨料混凝土的制备方法包括如下步骤：
步骤1：按配方量:0-1mm陶瓷颗粒、1-3mm粒径的粉煤灰陶粒和3-5mm的页岩陶粒进行混合，搅拌均匀，制得轻骨料原料，备用；
步骤2：按配方量将42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、速凝剂、早强剂和絮凝剂混合，搅拌均匀，制得混合物，备用；
步骤3：按配方量将步骤1制得的轻骨料原料加入步骤2制得的混合物中，搅拌均匀，制得粉料，备用；
步骤4：按配方量将步骤3中制得的粉料与水混合，搅拌均匀，制得用于3D打印的轻骨料混凝土。
对相应的轻骨料进行了力学性能测试，相关性能如下：
垂直于打印方向的7天抗压强度达到21.7Mpa，沿着打印方向的28天抗压强度达到16.3Mpa；
垂直于打印方向的28天抗压强度达到34.4Mpa，沿着打印方向的28天抗压强度达到27.8Mpa；
垂直于打印方向的7天抗拉强度达到4.1Mpa，沿着打印方向的28天抗拉强度达到3.5Mpa；
垂直于打印方向的28天抗拉强度达到5.6Mpa，沿着打印方向的28天抗拉强度达到4.8Mpa。
实施例3
采用与实施例2类似的配方，不同之处在于，本实施例的配方如下：
经检测，轻骨料混凝土具有良好的抗拉抗压性能。
实施例4
采用与实施例2类似的配方，不同之处在于，本实施例的配方如下：
经检测，轻骨料混凝土具有良好的抗拉抗压性能。