本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种聚合物抗裂防水保温砂浆及其制备方法。
背景技术：
在建筑节能领域中，保温砂浆是建筑节能的重点。胶粉聚苯颗粒保温浆料是以预混合型干拌沙浆为主要胶凝材料，加入适当的抗裂纤维及多种添加剂，以聚苯乙烯泡沫颗粒为轻骨料，按比例配置，形成一种保温浆料。在现场加以搅拌均匀即可，该材料导热系数低，保温隔热性能好，抗压强度高，粘接力强，附着力强，耐冻融、干燥收缩率及浸水线性变行率小，不易空鼓、开裂。
目前3d打印技术日趋完善，越来越多的物品都可以由3d打印完成。3d打印建筑可以颠覆传统建筑行业，但目前市场上3d打印建筑原材料技术尚不成熟。传统水泥材料的流变特征，使得水泥材料的状态不可发生改变，水泥自身的塌落特性使其不能具有无外力作用下保持形态的能力，所以传统水泥材料必须由外力(模具)保持其构件形态，待其终凝结束才能撤除外力。在构件或产品制作过程中，水泥材料由模具定型，并在添加水泥材料中由水泥材料的流动性或者振动才能填满模具方能得到密实的构件或产品，给生产带来诸多不便，增加制作成本，造成过多的浪费(模具的浪费)。而目前传统的水泥砂浆不适合用于3d打印建筑。
因此研究一种增加材料的施工和易性，使材料保温和抗裂防水性好，实现材料可以连续打印的3d打印建筑用抗裂砂浆具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种聚合物抗裂防水保温砂浆，该材料可以实现连续3d打印，保温、抗裂、防水性好。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种聚合物抗裂防水保温砂浆，包括以下按重量份数计的原料：包括以下按重量份数计的原料：硅酸盐水泥100-120份，石膏20-30份，细砂120-250份，粗砂50-100份，可再分散乳胶粉5-10份，改性聚苯颗粒20-30份，聚丙烯酸酯乳液10-20份，十二烷基苯磺酸钠1-3份，淀粉醚1-3份，纤维素醚1-3份，水10-20份，早强剂5-8份，体积稳定剂5-8份，触变剂1-3份；
所述的体积稳定剂选自钙矾石类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂或氧化镁类膨胀剂中一种或两种以上的混合物；
所述改性聚苯颗粒制备方法如下：
将甲基三甲氧基硅烷、乙醇、水按8:9:1的重量比混合，控制温度不超过50℃使甲基三甲氧基硅烷水解1-2h，然后将聚苯颗粒加入，再加入二氧化硅气凝胶和碳纤维，在150-250℃条件下保温搅拌反应4-6h，过滤干燥，干燥温度100-120℃，干燥时间0.5-1h，得到改性聚苯颗粒；所述聚苯颗粒：二氧化硅气凝胶：碳纤维为20-30：6-8：5-8：1。
本发明利用改性聚苯颗粒，通过二氧化硅气凝胶以及碳纤维对聚苯颗粒进行改性，形成碳纤维连接气凝胶与聚苯颗粒，聚苯颗粒表面表成致密的碳纤维二氧化硅膜层，能够有效提高浆料的抗裂性能，同时保温以及防水性能得到很大的提高。本发明通过原材料的选择和含量调整，砂浆材料粘结性好，稳定性强，具有良好的出泵形态保持能力和粘结性能，打印的建筑物具有良好的形态和体积稳定性。具体地，在本发明组分中，体积稳定剂和早强剂用量过少时，3d打印材料硬化速度会过慢，先打印出的材料不能承受上层新打印材料的压力而变形，导致打印失败，而用量过多时，会导致材料硬化过快，影响打印各层间的黏结强度。
可再分散乳胶粉与水接触后可以很快再分散形成乳液，并具有与初始乳液相同的性质，即水份蒸发后可以形成膜，这种膜具有高柔韧性、高耐侯性和对各种基材的高粘结性。因此可再分散乳胶粉可以提高砂浆的柔性和可变形性、抗压强度、抗折强度、耐磨损性、韧性、粘结性。淀粉醚主要应用于建筑砂浆中，能影响以水泥为基料的砂浆的稠度，可以降低新拌砂浆的垂流程度，改变砂浆的施工性和抗流挂性。淀粉醚通常与非改性及改性的纤维素醚配合使用，对中性和碱性体系都适合，能与水泥制品中的大多数添加剂相容。淀粉醚和纤维素醚共同作用在建筑干混料中，可赋予较高的增稠性，更强的结构性，抗流挂性和易操作性。
优选地，所述聚合物抗裂防水保温砂浆由以下按重量份数计的原料组成：硅酸盐水泥120份，石膏20-30份，细砂120-250份，粗砂50-100份，可再分散乳胶粉8-10份，改性聚苯颗粒20-30份，聚丙烯酸酯乳液15-20份，十二烷基苯磺酸钠1-3份，淀粉醚1-3份，纤维素醚1-3份，水10-20份，早强剂5-8份，体积稳定剂5-8份，触变剂1-3份。上述原料的成分选择和含量配比，是发明人经过长期的实验调整获得，制备的聚合物抗裂防水保温砂浆可以实现连续3d打印，保温、抗裂、防水性好。
进一步优选地，所述聚合物抗裂防水保温砂浆由以下按重量份数计的原料组成：硅酸盐水泥120份，石膏30份，细砂200份，粗砂80份，可再分散乳胶粉8份，改性聚苯颗粒25份，聚丙烯酸酯乳液16份，十二烷基苯磺酸钠2份，淀粉醚2份，纤维素醚2份，水20份，早强剂7份，体积稳定剂8份，触变剂2份。发明人经过多次试验，发现在上述组分的含量情况下，获得的砂浆性能最优。
在本发明中，所述的体积稳定剂的作用为减小材料硬化后的收缩，避免开裂。所述的体积稳定剂优选自钙矾石类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂或氧化镁类膨胀剂中一种或两种以上的混合物；更优选钙矾石类膨胀剂。
在本发明中，所述触变剂为改性膨润土、蒙脱石或硅酸镁铝的层状硅酸盐矿物中的一种或多种。上述触变剂应用于本发明砂浆体系中，与其他原料配合好，触变性优良。
优选地，所述可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯共聚物，颗粒大小为150-200目。
优选地，所述聚丙烯酸酯乳液的固含量为35-40％，粘度为11.0-12.0pa·s，颗粒尺寸为160-180nm。
在本发明中，所述早强剂选自锂盐早强剂、氯盐早强剂、硫酸钠、硅酸钠、偏硅酸钠、甲酸钙、硫酸铝溶液、混凝土速凝剂中的一种或两种以上的混合物。
所述细砂为石英砂或机制砂，颗粒大小为70-140目。所述粗砂为石英砂或机制砂，颗粒大小为20-70目。
本发明还提供上述聚合物抗裂防水保温砂浆的制备方法，包括如下步骤：
按照原料配比，将硅酸盐水泥，石膏，细砂和粗砂，可再分散乳胶粉，聚丙烯酸酯乳液，十二烷基苯磺酸钠，淀粉醚，纤维素醚，水，早强剂，体积稳定剂，触变剂混合均匀，再加入改性聚苯颗粒，搅拌均匀，得到聚合物抗裂防水保温砂浆。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明利用改性聚苯颗粒，通过二氧化硅气凝胶以及碳纤维对聚苯颗粒进行改性，砂浆的保温以及抗裂防水性能得到很大的提高。
2、本发明优化了体积稳定剂和早强剂的用量，用量过少时，3d打印材料硬化速度会过慢，先打印出的材料不能承受上层新打印材料的压力而变形，导致打印失败；而用量过多时，会导致材料硬化过快，影响打印各层间的黏结强度。
3、本发明通过原材料的选择和含量调整，砂浆材料粘结性好，稳定性强，具有良好的出泵形态保持能力和粘结性能，打印的建筑物具有良好的形态和体积稳定性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。
下述实施例所采用的原料均为市售。
其中，可再分散乳胶粉为乙烯-醋酸乙烯共聚物，颗粒大小为150-200目。聚丙烯酸酯乳液的固含量为35-40％，粘度为11.0-12.0pa·s，颗粒尺寸为160-180nm。细砂为石英砂或机制砂，颗粒大小为70-140目。粗砂为石英砂或机制砂，颗粒大小为20-70目。
实施例1:
改性聚苯颗粒制备：
将甲基三甲氧基硅烷8kg、乙醇9kg、水1kg混合，控制温度不超过50℃使甲基三甲氧基硅烷水解1-2h，然后将聚苯颗粒160kg加入，再加入二氧化硅气凝胶48kg和碳纤维40kg，在150-250℃条件下保温搅拌反应4-6h，过滤干燥，干燥温度100℃，干燥时间1h，得到改性聚苯颗粒。
砂浆制备：
按照原料配比，将硅酸盐水泥100kg，石膏20kg，细砂120kg，粗砂50kg，可再分散乳胶粉5kg，聚丙烯酸酯乳液10kg，十二烷基苯磺酸钠1kg，淀粉醚1kg，纤维素醚1kg，水10kg，甲酸钙5kg，钙矾石类膨胀剂5kg，改性膨润土1kg混合均匀，再加入改性聚苯颗粒20kg，搅拌均匀，得到聚合物抗裂防水保温砂浆。
实施例2:
改性聚苯颗粒制备：
将甲基三甲氧基硅烷8kg、乙醇9kg、水1kg混合，控制温度不超过50℃使甲基三甲氧基硅烷水解1-2h，然后将聚苯颗粒240kg加入，再加入二氧化硅气凝胶64kg和碳纤维64kg，在150-250℃条件下保温搅拌反应4-6h，过滤干燥，干燥温度120℃，干燥时间0.5h，得到改性聚苯颗粒。
砂浆制备：
按照原料配比，将硅酸盐水泥120kg，石膏30kg，细砂250kg，粗砂100kg，可再分散乳胶粉10kg，聚丙烯酸酯乳液20kg，十二烷基苯磺酸钠3kg，淀粉醚3kg，纤维素醚3kg，水20kg，氯盐早强剂8kg，钙矾石类膨胀剂8kg，蒙脱石3kg混合均匀，再加入改性聚苯颗粒30kg，搅拌均匀，得到聚合物抗裂防水保温砂浆。
实施例3:
改性聚苯颗粒制备：
将甲基三甲氧基硅烷8kg、乙醇9kg、水1kg混合，控制温度不超过50℃使甲基三甲氧基硅烷水解1-2h，然后将聚苯颗粒200kg加入，再加入二氧化硅气凝胶56kg和碳纤维48kg，在150-250℃条件下保温搅拌反应4-6h，过滤干燥，干燥温度110℃，干燥时间1h，得到改性聚苯颗粒。
砂浆制备：
按照原料配比，将硅酸盐水泥120kg，石膏30kg，细砂200kg，粗砂80kg，可再分散乳胶粉8kg，聚丙烯酸酯乳液16kg，十二烷基苯磺酸钠2kg，淀粉醚2kg，纤维素醚2kg，水20kg，甲酸钙7kg，钙矾石类膨胀剂8kg，硅酸镁铝的层状硅酸盐矿物2kg混合均匀，再加入改性聚苯颗粒25kg，搅拌均匀，得到聚合物抗裂防水保温砂浆。
实施例4:
改性聚苯颗粒制备：
将甲基三甲氧基硅烷8kg、乙醇9kg、水1kg混合，控制温度不超过50℃使甲基三甲氧基硅烷水解1-2h，然后将聚苯颗粒200kg加入，再加入二氧化硅气凝胶56kg和碳纤维56kg，在150-250℃条件下保温搅拌反应4-6h，过滤干燥，干燥温度120℃，干燥时间1h，得到改性聚苯颗粒。
砂浆制备：
按照原料配比，将硅酸盐水泥110kg，石膏25kg，细砂180kg，粗砂70kg，可再分散乳胶粉6kg，聚丙烯酸酯乳液18kg，十二烷基苯磺酸钠3kg，淀粉醚2kg，纤维素醚2kg，水15kg，混凝土速凝剂6kg，钙矾石类膨胀剂6kg，蒙脱石2kg混合均匀，再加入改性聚苯颗粒28kg，搅拌均匀，得到聚合物抗裂防水保温砂浆。
对比例1：
与实施例1相比，配方中不添加早强剂甲酸钙，其它操作与实施例1相同。
对比例2：
与实施例1相比，配方中采用聚苯颗粒代替改性聚苯颗粒，其它操作与实施例1相同。
对比例3：
与实施例1相比，配方中不添加钙矾石类膨胀剂，其它操作与实施例1相同。
对比例4：
与实施例1相比，配方中甲酸钙为3kg，钙矾石类膨胀剂为3kg，其它操作与实施例1相同。
对比例5：
与实施例1相比，砂浆的成分相同，但各成分含量不同于实施例1，其它操作与实施例1相同。本对比例的成分含量如下：
硅酸盐水泥100kg，石膏20kg，细砂120kg，粗砂50kg，可再分散乳胶粉12kg，聚丙烯酸酯乳液25kg，十二烷基苯磺酸钠1kg，淀粉醚1kg，纤维素醚1kg，水10kg，甲酸钙5kg，钙矾石类膨胀剂5kg，改性膨润土1kg混合均匀，再加入改性聚苯颗粒20kg。
性能测试
测试实施例1-4制备的抗裂防水保温砂浆的可打印性、可建造性和层间黏结强度。
1.可打印性
本发明抗裂防水保温砂浆可打印性好，不会造成打印喷头堵塞。且工作性保持时间长，打印操作时间可控制在30～150分钟。
2.可建造性
本发明抗裂防水保温砂浆可建造性好。新拌浆体塑性好，抗塑性变形能力强，且不泌水、不坍塌。
3.层间黏结强度
本发明抗裂防水保温砂浆层间黏结强度高达0.2～1.0mpa，保证了打印出构件的结构完整性和力学性能。
综上，在现有的3d打印建筑材料中，本发明抗裂防水保温砂浆具有可打印性和可建造性好、层间黏结强度高等多方面性能优势，适用于3d打印建筑。
4.砂浆抗开裂性能
测试实施例1-4和对比例1-5制备的抗裂防水保温砂浆的抗开裂性能，按照jg/t157《建筑外墙用腻子》中关于动态抗开裂方法的规定。测试方法如下:
使用专用型框，将配制好的待测砂浆刮涂在石棉水泥板上尺寸为200mm×150mm×(4-6)mm，湿膜厚度2mm，保证表面平整如一。将刮涂好的试板在标准环境下养护7天，每一样品制备3块试板。将试板放在动态抗开裂试验仪上测试，记录待测材料层开裂前，石棉水泥板开裂的最大宽度，精确至0.02mm。三块试板中以数值较大的两块试板测试结果的算术平均值作为最终结果。
测试结果如表2所示。
2、砂浆抗拉压及收缩性能
测试实施例1-4和对比例1-5制备的砂浆的抗压强度、抗折强度、粘结强度，依据标准gb/t17671《水泥胶砂强度检验方法》，强度试验的龄期分别为7天、28天，试件的尺寸均为40mm×40mm×160mm，粘接强度依据标准jc/t907《混凝土界面处理剂》进行测试。收缩性能采用jc/t603《水泥胶砂干缩试验方法》中关于收缩率的测试方法。
测试结果如表3所示。
表2
表3
由表2、表3可看出，本发明抗裂防水保温砂浆，其抗裂性能好，抗拉压性能好、粘结强度高，收缩率低。与本发明相比，配方中不添加早强剂甲酸钙或者配方中采用聚苯颗粒代替改性聚苯颗粒或者配方中不添加钙矾石类膨胀剂，制备得到的砂浆性能显著下降。与本发明相比，配方中甲酸钙和钙矾石类膨胀剂的用量降低或者组分中各成分含量不同于本发明，制备得到的砂浆性能也明显低于本发明砂浆。
综上，本发明抗裂防水保温砂浆通过原材料的选择和含量调整，获得的砂浆抗裂性能好，抗拉压性能好、粘结强度高，收缩率低。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。