CN116771031B - 一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法，属于建筑材料技术领域，包括：负泊松比内撑支架，负泊松比内撑支架的内部及周侧填充有轻质填料，负泊松比内撑支架由若干个晶胞单元组成；晶胞单元包括：上组件、下组件和中心支撑杆，上组件与下组件关于中心支撑杆的中点对称设置。当负泊松比内撑支架受压时向内收缩，而轻质填料受压破坏向外膨胀，负泊松比内撑支架为轻质填料提供了双轴压缩状态，因此提供了额外的支撑，提高了抗压强度，且由于负泊松比内撑支架向内收缩的特性，能有效的增加混凝土受压时出现裂缝的初始强度，降低裂缝的产生，在材料选择上，负泊松比内撑支架选择尼龙碳纤维，在满足轻质高强性能的同时，具备较好的恢复性能。

Description

一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别是涉及一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法。

背景技术

负泊松比材料是指材料在受压(拉)时，横向收缩(膨胀)，也就是说材料受压时向内部聚集，瞬时密度增大,外部表现出较高的刚度，这就赋予了负泊松比结构良好的应力扩散效应、较强的抗冲击能力和增强韧性能力。这与自然界绝大多数材料变形特性相反，但是仍有较多类似结构，例如猫的皮肤，母牛乳头皮肤，立方晶系金属元素等，该领域最早在Lakes的3D聚合物泡沫研究中提出，随后从宏观到分子领域出现了大量的人造负泊松比结构，例如内凹正六边形结构、星形结构、手性结构等。

但是负泊松比内凹结构在赋予结构良好的内缩性能的同时，往往降低了其刚度，通过合理设计复合材料，使每个组成相都可以以一种非常独立的方式对复合材料的整体性能做出贡献。比如说将负泊松比拉胀结构用作内撑骨架，将弹性模量较大的地质聚合物材料用作基体的复合材料，负泊松比结构在受压时向内收缩，而地聚物基体受压破坏向外膨胀，负泊松比结构使基体处于双轴压缩状态，因此提供了额外的支撑。

负泊松比蜂窝结构由于结构较为复杂，因此制作过程较为困难，普通3D打印往往形成密集支撑，难以拆除，但是近年来，增材制造技术的不断发展，给空间结构的打印提供了更多的可能及自由，在结构水平上，可以通过软件进行复杂结构设计，在模型处理上，可以对结构进行切片优化，在材料选取上，越来越多的高性能复合材料加入到了打印材料中，3D打印复合结构也越来越受到研究人员的注意。

在满足经济高速发展的同时，人们越来越重视经济绿色化，可持续化，低碳化发展，而传统保温面板多采用水泥制作，制作过程产生大量粉尘及温室气体，不利于绿色经济的发展，现有水泥隔墙材料多采用发泡结构使整体密度降低，但是气孔结构在降重的同时造成了整体强度的损失，且隔音仅靠发泡剂产生的不规则孔洞，效果一般。

随着能源需求的提高，一些工业废弃物排放量急剧增加，九十年代粉煤灰排放量1.25亿吨，二十世纪以来每年产出约为3亿吨，而近年每年排放量约为6亿吨，废弃物的重新利用是一个迫切解决的难题，而地质聚合物是利用能源工业产生的活性废料，例如粉煤灰和矿渣，经过碱激发剂的激活，使废料中的Si-O键，Al-O键断裂重组，形成胶凝相M{-(SiO2)-zAlO2}n·wH2O，随后固结硬化，形成强度，在未来有着替代水泥的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法，来解决现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种负泊松比轻质隔墙，包括：负泊松比内撑支架，所述负泊松比内撑支架的内部及周侧填充有轻质填料，所述负泊松比内撑支架由若干个晶胞单元组成；

所述晶胞单元包括：上组件、下组件和中心支撑杆，所述上组件与下组件关于中心支撑杆的中点对称设置。

优选的，所述上组件与下组件的结构完全相同，所述上组件包括：四根内凹杆，四根内凹杆的首尾相接且每根内凹杆的内侧中点均连接有直杆，四根直杆的另一端均与中心支撑杆的顶端连接，四根内凹杆的连接点均设置有斜向支撑，四根斜向支撑的另一端均与中心支撑杆的中点连接，四根内凹杆的底端中点还连接有加固杆，所述上组件的加固杆与下组件对应的加固杆固定连接。

优选的，所述内凹杆的外侧面开设有若干沟槽，所述沟槽内粘接有吸铁石。

优选的，在水平方向上，相邻的晶胞单元共用内凹杆，在竖直方向上，相邻的晶胞单元通过公共面层层叠加。

优选的，所述内凹杆与水平线的夹角为θ₁，所述上组件的加固杆与下组件对应的加固杆的夹角为θ₂，其中θ₁≤90°，θ₂≤180°。

优选的，所述轻质填料由如下质量份的材料组成：

优选的，所述过氧化氢的含量大于等于7.5％。

优选的，所述粉煤灰的细度为9.6％，质量等级为一级。

优选的，所述自制碱激发剂由钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液混合制得，其中钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液的质量比为1：4：3，所述Na₂CO₃溶液和NaOH溶液中溶质的质量分数为10％。

一种负泊松比轻质隔墙的制备方法，包括如下步骤：

S1：负泊松比内撑支架打印

选用SOLIDWORKS软件进行建模，导出格式为.STL，打印材料选用尼龙碳纤维粉末，采用激光烧结技术3D打印成型，打印成型后在沟槽中粘接吸铁石；

S2：制备轻质填料

根据配比要求，将钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液进行混合，充分反应后制得自制碱激发剂，随后将粉煤灰与高岭土混合搅拌制得混合料，随后加入水和自制碱激发剂搅拌形成地质聚合物浆料，搅拌完全后加入配置好的过氧化氢和硬脂酸钙进一步搅拌，在搅拌过程中加入空心玻璃微珠和短切玻璃纤维制得地质聚合物浆体，最后加入乳胶和铁粉进行混合搅拌，制得轻质填料；

S3：注浆养护

将负泊松比内撑支架固定在膜具中，设置保护层，厚度d＝2cm，固定完全后注入轻质填料，随后放在混凝土振动台上进行振捣密实，在60℃养护箱中养护36小时，期间每隔12小时喷洒氢氧化钙溶液进行养护，养护完全后拆模处理，常温下养护14天，得到负泊松比轻质隔墙。

本发明提供的一种负泊松比轻质隔墙及其制备方法，与现有技术相比具有以下优点：

本发明基于仿生学原理，通过3D打印技术制作负泊松比内撑支架，将弹性模量较大的轻质填料用作基体，当负泊松比内撑支架受压时向内收缩，而轻质填料受压破坏向外膨胀，负泊松比内撑支架为轻质填料提供了双轴压缩状态，因此提供了额外的支撑，提高了抗压强度，且由于负泊松比内撑支架向内收缩的特性，能有效的增加混凝土受压时出现裂缝的初始强度，降低裂缝的产生，在材料选择上，负泊松比内撑支架选择尼龙碳纤维，在满足轻质高强性能的同时，具备较好的恢复性能；

相对于现有单一发泡水泥轻质隔墙相比，本发明中的轻质填料，选用的胶凝材料为能源工业中的废弃物粉煤灰，实现了固废利用，符合绿色发展的理念，在降低重量方面，选用空心玻璃微珠(ELF轻质预埋件)与化学发泡混合，进一步降低了轻质隔墙的密度，与此同时增强了其隔音效果；

为增强轻质填料与负泊松比内撑支架的耦合程度，在负泊松比内撑支架的内凹杆上设置沟槽，打印完成后在沟槽上粘接吸铁石，与轻质填料相互作用，加入的短切玻璃纤维与乳胶进一步增强负泊松比轻质隔墙材料的整体性，提高抗压强度与抗剪切强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明晶胞单元的结构示意图；

图4为图3在A处的局部放大图；

图5为本发明的制备流程图。

图中：1-负泊松比内撑支架，2-轻质填料，3-晶胞单元，4-中心支撑杆，5-内凹杆，6-直杆，7-斜向支撑，8-加固杆，9-吸铁石，10-公共面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1

参考图1-4所示，本发明提供了一种负泊松比轻质隔墙，包括：负泊松比内撑支架1，所述负泊松比内撑支架1的内部及周侧填充有轻质填料2，所述负泊松比内撑支架1由若干个晶胞单元3组成；

所述晶胞单元3包括：上组件、下组件和中心支撑杆4，所述上组件与下组件关于中心支撑杆4的中点对称设置。所述上组件与下组件的结构完全相同，所述上组件包括：四根内凹杆5，四根内凹杆5的首尾相接且每根内凹杆5的内侧中点均连接有直杆6，四根直杆6的另一端均与中心支撑杆4的顶端连接，四根内凹杆5的连接点均设置有斜向支撑7，四根斜向支撑7的另一端均与中心支撑杆4的中点连接，四根内凹杆5的底端中点还连接有加固杆8，所述上组件的加固杆8与下组件对应的加固杆8固定连接。进一步的，所述内凹杆5的竖直投影长度为L₁，中心支撑杆4的长度为L₂，所述中心支撑杆4、内凹杆5、直杆6、斜向支撑7和加固杆8的厚度均为为L₃。

所述内凹杆5的外侧面开设有若干沟槽，所述沟槽内粘接有吸铁石9。在水平方向上，相邻的晶胞单元3共用内凹杆5，在竖直方向上，相邻的晶胞单元3通过公共面10层层叠加。所述内凹杆5与水平线的夹角为θ₁，所述上组件的加固杆8与下组件对应的加固杆8的夹角为θ₂，其中θ₁≤90°，θ₂≤180°。进一步说明负泊松比内撑支架1的泊松比为负值，根据材料力学公式对其等效泊松比进行推导，可得到其等效泊松比为:

其中ε_x为横向的应变，ε_y为纵向的应变，L为斜向支撑7的长度，F为斜向支撑的受力，L₃为内凹杆5的厚度，θ₂为上组件加固杆8与下组件加固杆8的夹角，由于L的数值远远大于L₃，可以得出分子为正值，分母为正值，可知v_eq＜0，故构件为负泊松比材料。

所述轻质填料2由如下质量份的材料组成：

作为一种优选实施例，所述过氧化氢的含量大于等于7.5％。所述粉煤灰的细度为9.6％，质量等级为一级。所述自制碱激发剂由钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液混合制得，其中钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液的质量比为1：4：3，所述Na₂CO₃溶液和NaOH溶液中溶质的质量分数为10％。相比于常规碱激发剂，本发明的自制碱激发剂选用钠长石粉末与Na₂CO₃溶液以及NaOH溶液进行反应制备，其反应方程式为

2-Al₂O₃+2NaOH＝2NaAlO₂+H₂O

3-2NaOH+CO2＝Na₂CO₃+H₂O

第三反应中生成的Na₂CO₃对于第一反应又起到了促进作用，提高了反应的进行速率，且通过矿物粉末制备碱激发剂，显著降低了常规碱激发剂的使用量，提高了地质聚合物胶凝材料的强度。

参考图5所示，本发明提供了一种负泊松比轻质隔墙的制备方法，包括如下步骤：

S1：负泊松比内撑支架1打印

选用SOLIDWORKS软件进行建模，各个参数取值如下L₁＝10cm，L₂＝5cm，L₃＝8mm，θ₁＝30°，θ₂＝127°，导出格式为.STL，打印材料选用尼龙碳纤维粉末，采用激光烧结技术3D打印成型，打印成型后在凹槽内粘接吸铁石9；

S2：制备轻质填料2

根据配比要求，将钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液进行混合，充分反应后制得自制碱激发剂，随后将粉煤灰与高岭土混合搅拌30s制得混合料，随后加入水和自制碱激发剂搅拌形成地质聚合物浆料，搅拌完全后加入配置好的过氧化氢和硬脂酸钙进一步搅拌，在搅拌过程中加入空心玻璃微珠和短切玻璃纤维制得地质聚合物浆体，最后加入乳胶和铁粉进行混合搅拌，制得轻质填料2；

S3：注浆养护

将负泊松比内撑支架1固定在膜具中，设置保护层，厚度d＝2cm，固定完全后注入轻质填料2，随后放在混凝土振动台上进行振捣密实，在60℃养护箱中养护36小时，期间每隔12小时喷洒氢氧化钙溶液进行养护，养护完全后拆模处理，常温下养护14天。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，所述轻质填料2由如下质量份的材料组成：

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于，所述轻质填料2由如下质量份的材料组成：

对比例1

对比例1为C20混凝土制作的钢筋混凝土墙体。

对比例2

对比例2为传统红砖砌块墙体。

实施例1-3及对比例1-2的实验数据汇总如下表：

表1

由表中数据可知，本发明的负泊松比轻质隔墙在抗压强度上有着不输于传统钢筋混凝土墙体和砌块墙体的力学性能，在干密度上相对于传统钢筋混凝土墙体和红砖墙显著降低，且在抗压实验中出现0.1mm-3mm裂缝的条数明显低于传统混凝土砖墙，综合来看本发明中的负泊松比轻质墙体具备较高的应用前景。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，包括：负泊松比内撑支架(1)，所述负泊松比内撑支架(1)的内部及周侧填充有轻质填料(2)，所述负泊松比内撑支架(1)由若干个晶胞单元(3)组成；

所述晶胞单元(3)包括：上组件、下组件和中心支撑杆(4)，所述上组件与下组件关于中心支撑杆(4)的中点对称设置；

所述上组件与下组件的结构完全相同，所述上组件包括：四根内凹杆(5)，四根内凹杆(5)的首尾相接且每根内凹杆(5)的内侧中点均连接有直杆(6)，四根直杆(6)的另一端均与中心支撑杆(4)的顶端连接，四根内凹杆(5)的连接点均设置有斜向支撑(7)，四根斜向支撑(7)的另一端均与中心支撑杆(4)的中点连接，四根内凹杆(5)的底端中点还连接有加固杆(8)，所述上组件的加固杆(8)与下组件对应的加固杆(8)固定连接；

所述内凹杆(5)的外侧面开设有若干沟槽，所述沟槽内粘接有吸铁石(9)。

2.根据权利要求1所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，在水平方向上，相邻的晶胞单元(3)共用内凹杆(5)，在竖直方向上，相邻的晶胞单元(3)通过公共面(10)层层叠加。

3.根据权利要求1所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，所述内凹杆(5)与水平线的夹角为θ₁，所述上组件的加固杆(8)与下组件对应的加固杆(8)的夹角为θ₂，其中θ₁≤90°，θ₂≤180°。

4.根据权利要求1所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，所述轻质填料(2)由如下质量份的材料组成：

5.根据权利要求4所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，所述过氧化氢的含量大于等于7.5％。

6.根据权利要求4所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，所述粉煤灰的细度为9.6％，质量等级为一级。

7.根据权利要求4所述的一种负泊松比轻质隔墙，其特征在于，所述自制碱激发剂由钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液混合制得，其中钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液的质量比为1：4：3，所述Na₂CO₃溶液和NaOH溶液中溶质的质量分数为10％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种负泊松比轻质隔墙的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：负泊松比内撑支架(1)打印

选用SOLIDWORKS软件进行建模，导出格式为.STL，打印材料选用尼龙碳纤维粉末，采用激光烧结技术3D打印成型，打印成型后在沟槽中粘接吸铁石(9)；

S2：制备轻质填料(2)

根据配比要求，将钠长石粉末、Na₂CO₃溶液和NaOH溶液进行混合，充分反应后制得自制碱激发剂，随后将粉煤灰与高岭土混合搅拌制得混合料，随后加入水和自制碱激发剂搅拌形成地质聚合物浆料，搅拌完全后加入配置好的过氧化氢和硬脂酸钙进一步搅拌，在搅拌过程中加入空心玻璃微珠和短切玻璃纤维制得地质聚合物浆体，最后加入乳胶和铁粉进行混合搅拌，制得轻质填料(2)；

S3：注浆养护

将负泊松比内撑支架(1)固定在膜具中，设置保护层，厚度d＝2cm，固定完全后注入轻质填料(2)，随后放在混凝土振动台上进行振捣密实，在60℃养护箱中养护36小时，期间每隔12小时喷洒氢氧化钙溶液进行养护，养护完全后拆模处理，常温下养护14天，得到负泊松比轻质隔墙。