CN111233407B - 一种3d打印固废混凝土构件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种3D打印固废混凝土构件及制备方法，该混凝土构件包括3D打印砂浆模板和填充在模板内部能植入钢筋的混凝土内芯；所述3D打印砂浆模板由低收缩高耐久性的3D打印砂浆制成，内部填充的混凝土具有流动性好，能够实现自密实且后期收缩小。3D打印砂浆模板能够实现快硬早强且收缩低，可以作为构件的永久性模板，节省了普通木、钢模板的使用，提升施工速度，内部填充的混凝土可配合钢筋使用，解决了3D打印构件不能植入钢筋的问题，混凝土内芯与3D打印砂浆模板有良好的粘结强度，消纳了大量的玻璃钢固废，将固废资源化再利用与3D打印智能建造相结合，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。

Description

一种3D打印固废混凝土构件及制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体来说，是提供一种3D打印固废混凝土构件，可应用于桥梁工程和房屋建筑工程。
背景技术
我国玻璃钢产业自1958年开发以来，经过60余年的历程，特别是在改革开放后迅猛发展，产业规模不断扩大，产量快速增加，与此同时每年产生的废弃玻璃钢数量也较为惊人。据估计到2030年，我国废弃玻璃钢将达400万余吨，这将会带来严重的经济和环境问题。目前，处理玻璃钢废弃物还没有可行的技术选择，由于玻璃钢废料中的玻璃纤维可以提高水泥复合材料的韧性，玻璃钢废料中存在的聚合物、CaO、Al2O3和SiO2，可以改善混凝土的粘结和附着力。因此，玻璃钢废料在混凝土方面具有潜在应用。
3D打印技术是一种先进的数字化制造方式，其在制造工艺方面的创新被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，近几年3D打印混凝土技术也因其降低原材料浪费、减少人工、无模板化和提高生产效率等优点而得到广泛的关注和推广。目前能够满足可3D打印的混凝土材料有很多，如申请号201810007907.9公开了一种可打印的PVA-玄武岩混杂纤维高韧性混凝土，申请号201910585908.6公开了一种低收缩3D打印砂浆，但如何将3D打印技术与已有的建筑方法结合，促进建筑工业化进程是一个重要问题。鉴于此，本申请公布了一种含有工业玻璃钢废弃物的3D打印混凝土构件的设计方法，充分发挥3D打印技术的无模制造和可打印复杂形状的特点，解决目前施工现场模板浪费问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种3D打印固废混凝土构件设计及使用方法。该混凝土构件由高强低收缩高耐久性3D打印砂浆模板和轻质高强固废混凝土内芯构成，3D打印砂浆模板能够实现快硬早强且收缩低，可以作为构件的永久性模板，节省了普通木、钢模板的使用，提升施工速度，内部填充的混凝土具有较好的流动性，能够实现自密实且后期收缩小，可配合钢筋使用，解决了3D打印构件不能植入钢筋的问题，混凝土内芯与3D打印砂浆模板有良好的粘结强度，消纳了大量的玻璃钢固废，将固废资源化再利用与3D打印智能建造相结合，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。
本发明的目的是通过以下技术方案进行实现：
一种3D打印固废混凝土构件，其特征在于，该混凝土构件包括3D打印砂浆模板和填充在模板内部能植入钢筋的混凝土内芯；所述3D打印砂浆模板由高强低收缩高耐久性的3D打印砂浆制成，3D打印砂浆模板能够实现快硬早强且收缩低，内部填充的混凝土具有流动性好，能够实现自密实且后期收缩小。
所述3D打印砂浆模板按重量分数计，其组成含量为：快硬早强硫铝酸盐水泥0.56～0.74份；普通硅酸盐水泥2.24～2.96份；粉煤灰0.57～1.28份；硅灰0.23～0.59份；石英砂3.5～5.9份；再生玻璃钢纤维0.14～0.19份；石灰0.01～0.05份；促凝剂0.12～0.16份；减水剂0.1～0.14份和水1.2～1.5份。
所述内部填充的混凝土按重量份数计，其组成含量为：普通硅酸盐水泥2.5～5份；矿粉0.25～1.25份；粉煤灰0.16～0.24份；河砂4.5～6.2份；粗骨料6.75～9.3份；再生玻璃钢骨料0.9～1.3份；再生玻璃钢粉末0.05～0.08份；碱骨料抑制剂0.064～0.096份；减水剂0.08～0.16份和水1.1～1.8份。
一种上述的3D打印固废混凝土构件的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备3D打印砂浆模板：
3D打印砂浆模板采用两级搅拌，第一级搅拌：将0.56～0.74份硫铝酸盐水泥、2.24～2.96份普通硅酸盐水泥、0.57～1.28份粉煤灰、0.23～0.0.59份硅灰、3.5～5.9份石英砂和0.01～0.05份石灰送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.1～0.14份减水剂和1.2～1.5份水混合，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，再加入0.14～0.19份再生玻璃钢纤维，继续搅拌至完全混合均匀获得水泥砂浆，最后加入再生玻璃钢纤维有利于纤维分散；
第二级搅拌：将上述水泥砂浆泵送或机械输送至3D打印搅拌机内，加入0.12～0.16份促凝剂，连续搅拌，设置打印喷头出口截面积为180～200mm2，挤出速度为0.3-0.4m3/h，水平向打印速度为250-290m/h，然后进行打印，即得到所述的3D打印砂浆模板；
(2)制备内部填充的混凝土：
将2.5～5份普通硅酸盐水泥、0.25～1.25份矿粉、0.16～0.24份粉煤灰、4.5～6.2份河砂、6.75～9.3份粗骨料；0.9～1.3份再生玻璃钢骨料、0.05～0.08份再生玻璃钢粉末送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.064～0.096份碱骨料抑制剂、0.08～0.16份减水剂和1.1～1.8份水混合均匀，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，即得到所述的内部填充的混凝土；
(3)待3D打印砂浆模板硬化1～1.5d后，对3D打印砂浆模板表面喷水润湿，在3D打印砂浆模板围成的内部区域铺设钢筋，再浇筑步骤(2)的混凝土，得到3D打印固废混凝土构件。
本发明选择具有低收缩高强度的3D打印砂浆，利用3D打印逐层叠加、快速建造的特点，打印混凝土的外围模板结构，能够替代木、钢模板，既节约了传统木、钢模板的使用，又可以实现形状各异的特点。所填充的混凝土吸纳了大量的回收玻璃钢材料，解决了玻璃钢废弃物占用土地污染环境的问题。本发明的有益效果包括：
(1)制备可3D打印砂浆模板砂浆时，采用硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复掺，有利于加快胶凝材料早期的硬化速度，提高材料的可建造性；石灰在水泥水化初期可以提供热量，提高了3D打印砂浆在冬季的水化速度；打印过程采用两级拌料系统，在第二级砂浆搅拌机中可以随时通过添加促凝剂来调节砂浆的可打印性，实现了凝结时间的可调，节约材料；再生玻璃钢纤维是从玻璃钢废弃制品中回收得到的，相比传统纤维，它不仅成本更低，而且表面更加粗糙，与砂浆有更高的粘结力，能够起到减少3D打印砂浆模板砂浆收缩开裂作用。该砂浆模板耐腐蚀性强，不仅可以作为混凝土构件的模板使用，还可以成为混凝土构件的永久保护层。
(2)浇筑制备内部填充的混凝土时，采用普通河砂和再生玻璃钢骨料混合作为细骨料，可以有效地降低混凝土密度，再生玻璃钢中含有聚合物、CaO、Al2O3和SiO2，使得其与水泥有良好的粘结力，起到增加混凝土强度的作用；矿粉和粉煤灰的加入可以填充混凝土中的微孔隙，并且能起到调节混凝土流动性和保水性的作用；再生玻璃钢粉末在混凝土的养护过程中，通过物理吸水作用发生微膨胀，能够降低混凝土的收缩，有利于提高内部填充的混凝土和3D打印砂浆模板之间的粘结力。
(3)本发明模板配方和混凝土配方中加入了不同形式的再生玻璃钢废料，降低了构件的造价成本，且给定配方中物质间的协同作用能够实现模板的低收缩性、快硬早强、强度高、耐久性好，能够实现混凝土的自密实且后期小收缩，实现了模板与混凝土之间的良好粘结，获得适于建筑工业化的混凝土构件。
(4)本发明将固废资源化再利用与3D打印智能建造相结合，有利于推动3D打印混凝土的实际工程应用。
具体实施方式
下面结合实施例解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明3D打印固废混凝土构件，包括3D打印砂浆模板和填充在模板内部能植入钢筋的混凝土内芯；所述3D打印砂浆模板由快硬早强低收缩高耐久性的3D打印砂浆制成，初凝时间在40-50min，具有优异的早期力学强度，1d的抗压强度可达45MPa以上，抗折强度可达7Mpa以上，为3D打印混凝土构件的稳定成型以及便于快速的搬运吊装等提供了强度保证，砂浆碳化深度在0.1～10mm之间(T-IV级)，早期单位面积上的总开裂面积小于100mm2/m2(L-V级)，具有较高耐久性和低收缩性能。内部填充的混凝土具有流动性好，能够实现自密实，混凝土构件的密度低于2300kg/m3，抗压强度大于40MPa，抗弯强度大于6MPa。本发明填充的混凝土是一种利用固废制备的轻质高强混凝土，突出的优势在于价格低，充分发挥玻璃钢废弃物的优势，再生玻璃钢骨料密度低，再生玻璃钢粉末能够产生微膨胀，能够得到质轻高强的混凝土。
所述3D打印砂浆模板按重量分数计，其组成含量为：快硬早强硫铝酸盐水泥0.56～0.74份；普通硅酸盐水泥2.24～2.96份；粉煤灰0.57～1.28份；硅灰0.23～0.59份；石英砂3.5～5.9份；再生玻璃钢纤维0.14～0.19份；石灰0.01～0.05份；促凝剂0.12～0.16份；减水剂0.1～0.14份和水1.2～1.5份。
所述内部填充的混凝土按重量份数计，其组成含量为：普通硅酸盐水泥2.5～5份；矿粉0.25～1.25份；粉煤灰0.16～0.24份；河砂4.5～6.2份；粗骨料6.75～9.3份；再生玻璃钢骨料0.9～1.3份；再生玻璃钢粉末0.05～0.08份；碱骨料抑制剂0.064～0.096份；减水剂0.08～0.16份和水1.1～1.8份。
上述的3D打印固废混凝土构件的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备3D打印砂浆模板：
3D打印砂浆模板采用两级搅拌，第一级搅拌：将0.56～0.74份硫铝酸盐水泥、2.24～2.96份普通硅酸盐水泥、0.57～1.28份粉煤灰、0.23～0.0.59份硅灰、3.5～5.9份石英砂和0.01～0.05份石灰送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.1～0.14份减水剂和1.2～1.5份水混合，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，再加入0.14～0.19份再生玻璃钢纤维，继续搅拌至完全混合均匀获得水泥砂浆，最后加入再生玻璃钢纤维有利于纤维分散；
第二级搅拌：将上述水泥砂浆泵送或机械输送至3D打印搅拌机内，加入0.12～0.16份促凝剂，连续搅拌，设置打印喷头出口截面积为180～200mm2，挤出速度为0.3-0.4m3/h，水平向打印速度为250-290m/h，然后进行打印，即得到所述的3D打印砂浆模板；
(2)制备内部填充的混凝土：
将2.5～5份普通硅酸盐水泥、0.25～1.25份矿粉、0.16～0.24份粉煤灰、4.5～6.2份河砂、6.75～9.3份粗骨料；0.9～1.3份再生玻璃钢骨料、0.05～0.08份再生玻璃钢粉末送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.064～0.096份碱骨料抑制剂、0.08～0.16份减水剂和1.1～1.8份水混合均匀，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，即得到所述的内部填充的混凝土；
(3)待3D打印砂浆模板硬化1～1.5d后，对3D打印砂浆模板表面喷水润湿，在3D打印砂浆模板围成的内部区域铺设钢筋，再浇筑步骤(2)的混凝土，得到3D打印固废混凝土构件。
所述快硬早强硫铝酸盐水泥的比表面积为450m2/kg，密度为3.43g/cm3，标准稠度用水量为25.9％，初凝时间30min，终凝时间为60min，氧化钙含量为48.2％，硫铝比为3.5，碱度系数为0.9，3天抗折强度为7.2MPa，3天抗压强度为53MPa；所述普通硅酸盐水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的烧失量为7.1％，含水率为0.1％，氧化钙含量为3.7％，需水量比为104％，细度为45μm方孔筛筛余17.5％。
所述硅灰的密度为2.3g/cm3，比表面积为25～29m2/g；所述的矿粉活化指数达S95级，细度达到13000m2/kg；所述的石灰为快速石灰,消化时间为10～15min,消化温度为95℃～98℃
所述石英砂的相对密度为2.65,平均粒径为40目-80目；所述河砂细度模数为2.1，颗粒粒径分布符合国家标准GB/T14684-2011《建设用砂》中天然砂2区要求，含泥量小于0.15％；
所述粗骨料为5-20mm连续级配花岗岩碎石或其他碎石，如石灰岩。连续级配花岗岩碎石表观密度2740kg/m3，含泥量小于0.52％，泥块含量0.21％，针片状含量6.0％，石料压碎值为5.5。
所述的再生玻璃钢粉末、颗粒和纤维由玻璃钢边角料和玻璃钢废弃物经两步物理回收得到，第一步：经机械切割，分级破碎和粉磨得到再生玻璃钢纤维簇，密度不超过1.25g/cm3，吸水率不大于15％，最大长度不大于20mm；第二步：使用8～50目方孔筛对再生玻璃钢纤维簇进行筛分，其中，再生玻璃钢粉末为通过50目方孔筛的部分，再生玻璃钢颗粒为8～50目方孔筛的筛余下层部分，再生玻璃钢纤维为8～50目方孔筛的筛余上层部分；
所述碱骨料抑制剂为碳酸锂、硫酸锂、乳酸中的一种或几种。所述的促凝剂为红星Ⅰ型、7Ⅱ型、782型、8604型中的一种或几种的混合。所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％，含固量为36.5％。
将按照本发明所提供的配方及制备方法得到的混凝土进行打印，对打印后的结构体进行相关性能测试，即坍落度、流动性评价、建造性评价、抗压强度评价级抗弯强度评价，经测试使用本发明混凝土在满足所提出的打印要求的前提下可保证打印过程的顺利进行，且打印后所得结构体稳定结实，得到的低收缩3D打印固废混凝土满足《混凝土质量控制标准》GB50164-2011相关要求。
实施例1
本实施例一种3D打印固废混凝土构件，按重量份数计，混凝土构件的组成和含量分别为：
快硬早强硫铝酸盐水泥0.6份；
普通硅酸盐水泥5.1份；
粉煤灰0.78份；
硅灰0.25份；
矿粉0.3份；
石灰0.02份；
石英砂3.5份，
普通河砂4.5份；
粗骨料6.8份；
再生玻璃钢骨料1份；
再生玻璃钢粉末0.06份；
碱骨料抑制剂0.08份；
减水剂0.19份；
再生玻璃钢纤维0.15份；
促凝剂0.12份；
水2.5份。
上述原料分成两组，第一组为快硬早强硫铝酸盐水泥0.6份；普通硅酸盐水泥2.5份；粉煤灰0.6份；硅灰0.25份；石英砂3.5份；再生玻璃钢纤维0.15份；石灰0.02份；促凝剂0.12份；减水剂0.1份和水1.3份。第二组为普通硅酸盐水泥2.6份；矿粉0.3份；粉煤灰0.18份；普通河砂4.5份；粗骨料6.8份；再生玻璃钢骨料1份；再生玻璃钢粉末0.06份；碱骨料抑制剂0.08份；减水剂0.09份和水1.2份；
两组原料分别用于配制3D打印砂浆模板和内部填充混凝土。
所述快硬早强硫铝酸盐水泥的比表面积为450m2/kg，密度为3.43g/cm3，标准稠度用水量为25.9％，初凝时间30min，终凝时间为60min，氧化钙含量为48.2％，硫铝比为3.5，碱度系数为0.9，3天抗折强度为7.2MPa，3天抗压强度为53MPa；所述普通硅酸盐水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰的烧失量为7.1％，含水率为0.1％，氧化钙含量为3.7％，需水量比为104％，细度为45μm方孔筛筛余17.5％。
所述硅灰的密度为2.3g/cm3，比表面积为25～29m2/g；所述的矿粉活化指数达S95级，细度达到13000m2/kg；所述的石灰为快速石灰,消化时间为10～15min,消化温度为95℃～98℃
所述石英砂的相对密度为2.65,平均粒径为40目-80目；所述河砂细度模数为2.1，颗粒粒径分布符合国家标准GB/T14684-2011《建设用砂》中天然砂2区要求，含泥量小于0.15％；
所述粗骨料为5-20mm连续级配花岗岩碎石或其他碎石，如石灰岩。连续级配花岗岩碎石表观密度2740kg/m3，含泥量小于0.52％，泥块含量0.21％，针片状含量6.0％，石料压碎值为5.5。
所述的再生玻璃钢粉末、颗粒和纤维由玻璃钢边角料和玻璃钢废弃物经两步物理回收得到，第一步：经机械切割，分级破碎和粉磨得到再生玻璃钢纤维簇，密度不超过1.25g/cm3，吸水率不大于15％，最大长度不大于20mm；第二步：使用8～50目方孔筛对再生玻璃钢纤维簇进行筛分，其中，再生玻璃钢粉末为通过50目方孔筛的部分，再生玻璃钢颗粒为8～50目方孔筛的筛余下层部分，再生玻璃钢纤维为8～50目方孔筛的筛余上层部分；
所述碱骨料抑制剂为碳酸锂、硫酸锂、乳酸中的一种或几种。所述的促凝剂为红星Ⅰ型、7Ⅱ型、782型、8604型中的一种或几种的混合。所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于30％，含固量为36.5％。
所述的一种3D打印固废混凝土构件的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)制备3D打印砂浆模板：
模板用3D打印砂浆采用两级搅拌，第一级搅拌：将第一组的0.6份硫铝酸盐水泥、2.5份普通硅酸盐水泥、0.6份粉煤灰、0.25份硅灰、3.5份石英砂和0.02份石灰送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.1份减水剂和1.3份水混合，加入到上述混合干料中搅拌5分钟，再加入0.15份再生玻璃钢纤维，继续搅拌至完全混合均匀。第二级搅拌：将上述水泥砂浆泵送或机械输送至3D打印搅拌机内，加入0.12份促凝剂，连续搅拌，设置打印喷头出口截面积为190mm2，挤出速度为0.3m3/h，水平向打印速度为260m/h，然后进行打印，即得到所述的3D打印砂浆模板。
(2)制备内部填充的混凝土：将第二组的2.6份普通硅酸盐水泥、0.3份矿粉、0.18份粉煤灰、4.5份河砂、粗骨料6.8份；1份再生玻璃钢骨料、0.06份再生玻璃钢粉末送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料，再将0.08份碱骨料抑制剂、0.09份减水剂和1.2份水混合均匀，加入到上述混合干料中搅拌5分钟，即得到所述的内部填充的混凝土。
(3)待3D打印砂浆模板硬化1d后，对砂浆模板表面喷水润湿，在3D打印砂浆模板围成的内部区域铺设钢筋，即可浇筑内部填充的混凝土，得到适用于建筑工业化的3D打印混凝土构件。
实施例2
本实施例一种3D打印固废混凝土构件，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
快硬早强硫铝酸盐水泥0.7份；
普通硅酸盐水泥7.5份；
粉煤灰1.4份；
硅灰0.5份；
矿粉1.2份；
石灰0.04份；
石英砂5.2份，
普通河砂6份；
粗骨料8.5份；
再生玻璃钢骨料1.2份；
再生玻璃钢粉末0.06份；
碱骨料抑制剂0.09份；
减水剂0.22份；
再生玻璃钢纤维0.18份；
促凝剂0.14份；
水2.9份。
上述原料分成两组，第一组为快硬早强硫铝酸盐水泥0.7份；普通硅酸盐水泥2.5份；粉煤灰1.2份；硅灰0.5份；石英砂5.2份；再生玻璃钢纤维0.18份；石灰0.04份；促凝剂0.14份；减水剂0.12份和水1.3份。第二组为普通硅酸盐水泥5份；矿粉1.2份；粉煤灰0.2份；普通河砂6份；粗骨料8.5份；再生玻璃钢骨料1.2份；再生玻璃钢粉末0.06份；碱骨料抑制剂0.09份；减水剂0.1份和水1.6份；
两组原料分别用于配制3D打印砂浆模板和内部填充混凝土。
所述的一种3D打印固废混凝土构件制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)制备3D打印砂浆模板：模板用3D打印砂浆采用两级搅拌，第一级搅拌：将第一组的0.07份硫铝酸盐水泥、2.5份普通硅酸盐水泥、1.2份粉煤灰、0.5份硅灰、5.2份石英砂和0.04份石灰送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.12份减水剂和1.3份水混合，加入到上述混合干料中搅拌5分钟，再加入0.18份再生玻璃钢纤维，继续搅拌至完全混合均匀。第二级搅拌：将上述水泥砂浆泵送或机械输送至3D打印搅拌机内，加入0.14份促凝剂，连续搅拌，设置打印喷头出口截面积为200mm2，挤出速度为0.4m3/h，水平向打印速度为260m/h，然后进行打印，即得到所述的3D打印砂浆模板。
(2)制备内部填充的混凝土：将第二组的5份普通硅酸盐水泥、1.2份矿粉、0.2份粉煤灰、6份河砂、粗骨料8.5份；1.2份再生玻璃钢骨料、0.06份再生玻璃钢粉末送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料，再将0.09份碱骨料抑制剂、0.1份减水剂和1.6份
水混合均匀，加入到上述混合干料中搅拌5分钟，即得到内部填充的混凝土。
(3)待3D打印砂浆模板硬化1d后，对砂浆模板表面喷水润湿，在3D打印砂浆模板围成的内部区域铺设钢筋，即可浇筑内部填充的混凝土，得到适用于建筑工业化的3D打印混凝土构件。
实施例3
本实施例混凝土构件的组成及制备方法、打印参数同实施例1，不同之处在于本实施例中石灰为0.05份。
实施例4
本实施例混凝土构件的组成及制备方法、打印参数同实施例1，不同之处在于本实施例中促凝剂为0.16份。
实施例5
本实施例混凝土构件的组成及制备方法、打印参数同实施例1，不同之处在于本实施例中再生玻璃钢纤维为0.19份。
实施例6
本实施例混凝土构件的组成及制备方法、打印参数同实施例1，不同之处在于本实施例中再生玻璃钢骨料(颗粒)的掺量为1.3份。
实施例7
除再生玻璃钢骨料为0.5份外，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例2相同。
实施例8
除再生玻璃钢粉末为0.01份外，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例1相同。
对比例1
除促凝剂为0.1份外，其它的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。
对比例2
除再生玻璃钢纤维0.1份外，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例1相同。
对比例3
除促凝剂为0.2份外，其它的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。
对比例4
除再生玻璃钢纤维0.3份外，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例1相同。
挤出性评价：
挤出性指的是材料通过设定出口的一个能力，如果能在小出口的条件下被挤出，那换成大口的喷头，自然也可以被顺利地挤出来，在挤出性评价选用小出口8mm×8mm的打印喷头进行测试。各实施例混凝土在3D打印机的打印参数为打印喷头尺寸8mm×8mm，挤出速度为5.4L/min，水平打印速度为270m/h，喷头打印高度24mm的条件下能持续地、连续地、打印长度为200mm的细丝，检测有无中断和堵塞发生。
建造性评价：
建造性表征的是材料被堆积起一定的高度而不发生坍塌的能力，选用尺寸为8mm×24mm的打印喷头进行打印，使材料堆积，进行建造性评价(建造性是指打印材料在垂直方向堆积的能力或者性质，太小的喷口无法进行建造性的评价测试)。各实施例混凝土，在3D打印机的打印参数为打印喷头尺寸8mm×24mm，挤出速度为5.4L/min，水平打印速度为270m/min，垂直打印速度1.3cm/min，喷头打印高度24mm的条件下，检测有无中断、垮塌现象。
对各实施例的混凝土及3D打印出的结构体进行相关性能测试，将实施例1～8制备的3D打印固废混凝土构件和对比例1～4进行性能比较，结果如表1和表2所示，表1中挤出性、初凝时间、建造性、初凝时间、1d抗压强度、1d抗弯强度、碳化深度和早期抗裂性能均是对模板的性能测试结果，表2中坍落扩展直径是对内部填充的混凝土的性能测试结果，密度、抗压强度和抗弯强度是3D打印固废混凝土构件性能测试结果。
参照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)测试各实施例3D打印砂浆的凝结时间，打印性和建造性。测试结果表明各实施例1～8和对比例2砂浆均具有良好的流动性，能够满足3D可打印的要求，可以连续挤出，不间断。对比实施例1、3～4和对比例1，3发现，在本申请配方范围内石灰和促凝剂的增加能很好的提高砂浆的凝结时间，其中促凝剂的快硬效果要优于石灰，但要控制促凝剂的掺量，试验表明凝结时间控制在40～50分钟砂浆具有良好的可建造性；对比例1促凝剂含量太少，凝结时间长，材料固化成型慢，难以支撑后续打印层的自重，砂浆建造性较差，对比例3促凝剂含量太多，砂浆凝结时间太快，在3D打印泵送过程中易发生堵塞，甚至凝固在搅拌机中，影响材料的输送。
对比例4材料打印性差，这是因为纤维掺量太多，材料结团严重，堵塞打印喷头。通过对比对比例1～4发现，纤维和促凝剂的掺量对砂浆模板的收缩和耐久性能有较大影响，因此，纤维掺量要控制在合理范围内，不能太少也不能过多。结合《混凝土耐久性检测评定标准》JCJ/T 193-2009要求和试验研究发现，砂浆碳化深度在0.1～10mm之间(T-IV级)，早期单位面积上的总开裂面积小于100mm2/m2(L-V级)适宜作为模板使用，对比例2-4的早期单位面积上的总开裂面积较大，不适合作为模板材料使用，在本专利指出的范围内，砂浆模板均满足要求。
各实施例和对比例砂浆均具有优异的早期力学强度，1d的抗压强度可达45MPa以上，抗折强度可达7Mpa以上，这为3D打印混凝土构件的稳定成型以及便于快速的搬运吊装等提供了强度保证。
参照《预拌混凝土》(GB/T 14902-2012)和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016现行标准)》对内部填充的混凝土进行坍落度检测，各实施例混凝土坍落度满足自密实混凝土要求(扩展直径在550mm以上能够满足自密实要求)。对比实施例6～8发现，加入合适的再生玻璃钢骨料具有降低混凝土密度的作用，同时再生玻璃钢骨料对混凝土的强度影响不大，再生玻璃钢粉末对混凝土的密度影响不大，但对混凝土强度影响较大。在本专利指出的范围内，混凝土构件的密度均低于2300kg/m3，抗压强度均大于40MPa，抗弯强度均大于6MPa。
表1 3D打印砂浆模板工作、力学和耐久性能
Figure BDA0002409652310000091
Figure BDA0002409652310000101
表2混凝土内芯工作性能和3D打印固废混凝土构件物理、力学性能
Figure BDA0002409652310000102
在实际施工中，低收缩是指一般满足在打印过程中和后期养护过程中没有明显裂纹即可，参考国家标准GB/T 20473-2006和一些试验研究，砂浆收缩值一般要低于0.3％。
做模板除了要满足低收缩要求，还要有一定耐久性，本材料除了收缩低，并且具有优异的耐久性(氯离子，碳化，硫酸盐)。
本发明的混凝土构件，以低收缩的可3D打印的3D打印砂浆作为模板，其内部可以填充本申请的固废制成的混凝土，也可填充其他类型的混凝土，可以浇筑不同流动性，不同强度的混凝土，这要取决于具体工程，本发明填充的混凝土是一种利用固废制备的轻质混凝土，突出的优势在于价格低，充分发挥玻璃钢废弃物的优势，再生玻璃钢骨料密度低，再生玻璃钢粉末能够产生微膨胀，能够得到质轻高强的混凝土。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种3D打印固废混凝土构件，其特征在于，该混凝土构件包括3D打印砂浆模板和填充在模板内部能植入钢筋的混凝土内芯；所述3D打印砂浆模板由低收缩高耐久性的3D打印砂浆制成，内部填充的混凝土流动性好，能够实现自密实且后期收缩小；
所述3D打印砂浆模板按重量份数计，其组成含量为：快硬早强硫铝酸盐水泥0.56～0.74份；普通硅酸盐水泥2.24～2.96份；粉煤灰0.57～1.28份；硅灰0.23～0.59份；石英砂3.5～5.9份；再生玻璃钢纤维0.14～0.19份；石灰0.01～0.05份；促凝剂0.12～0.16份；减水剂0.1～0.14份和水1.2～1.5份；
所述内部填充的混凝土按重量份数计，其组成含量为：普通硅酸盐水泥2.5～5份；矿粉0.25～1.25份；粉煤灰0.16～0.24份；河砂4.5～6.2份；粗骨料6.75～9.3份；再生玻璃钢骨料0.9～1.3份；再生玻璃钢粉末0.05～0.08份；碱骨料抑制剂0.064～0.096份；减水剂0.08～0.16份和水1.1～1.8份；
所述的再生玻璃钢粉末、骨料和纤维由玻璃钢边角料和玻璃钢废弃物经两步物理回收得到，第一步：经机械切割，分级破碎和粉磨得到再生玻璃钢纤维簇，密度不超过1.25g/cm3，吸水率不大于15％，最大长度不大于20mm；第二步：使用8～50目方孔筛对再生玻璃钢纤维簇进行筛分，其中，再生玻璃钢粉末为通过50目方孔筛的部分，再生玻璃钢骨料为8～50目方孔筛的筛余下层部分，再生玻璃钢纤维为8～50目方孔筛的筛余上层部分；
所述石英砂的平均粒径为40目-80目，河砂细度模数为2.1；
3D打印砂浆的初凝时间为40-50min，1d的抗压强度为45MPa以上，1d抗弯强度为7MPa以上，砂浆碳化深度在0.1～10mm之间，早期单位面积上的总开裂面积小于100mm2/m2。
2.根据权利要求1所述的混凝土构件，其特征在于，混凝土构件的密度低于2300kg/m3，28d抗压强度大于40MPa，28d抗弯强度大于6MPa。
3.一种3D打印固废混凝土构件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)制备3D打印砂浆模板：
3D打印砂浆模板采用两级搅拌，第一级搅拌：将0.56～0.74份硫铝酸盐水泥、2.24～2.96份普通硅酸盐水泥、0.57～1.28份粉煤灰、0.23～0.0.59份硅灰、3.5～5.9份石英砂和0.01～0.05份石灰送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.1～0.14份减水剂和1.2～1.5份水混合，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，再加入0.14～0.19份再生玻璃钢纤维，继续搅拌至完全混合均匀获得水泥砂浆；
第二级搅拌：将上述水泥砂浆机械输送至3D打印搅拌机内，加入0.12～0.16份促凝剂，连续搅拌，设置打印喷头出口截面积为180～200mm2，挤出速度为0.3-0.4m3/h，水平向打印速度为250-290m/h，然后进行打印，即得到所述的3D打印砂浆模板；
(2)制备内部填充的混凝土：
将2.5～5份普通硅酸盐水泥、0.25～1.25份矿粉、0.16～0.24份粉煤灰、4.5～6.2份河砂、6.75～9.3份粗骨料；0.9～1.3份再生玻璃钢骨料、0.05～0.08份再生玻璃钢粉末送入卧式砂浆搅拌机进行混合搅拌，得到混合干料；再将0.064～0.096份碱骨料抑制剂、0.08～0.16份减水剂和1.1～1.8份水混合均匀，加入到上述混合干料中搅拌4-10分钟，即得到所述的内部填充的混凝土；
(3)待3D打印砂浆模板硬化1～1.5d后，对3D打印砂浆模板表面喷水润湿，在3D打印砂浆模板围成的内部区域铺设钢筋，再浇筑步骤(2)的混凝土，得到3D打印固废混凝土构件。
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