CN112062514A - 一种废弃3d打印混凝土制备3d打印油墨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨，按重量份计，包括以下组分：水泥200‑600份；3D打印混凝土再生混合料300‑1200份；植物纤维1‑20份；偏高岭土10‑200份；硅灰10‑200份；水玻璃0.5‑15份；减水剂0.1‑3.0份；纤维素0.10‑0.95份；水100‑600份。本发明进一步提供了一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法。本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，充分利用废弃3D打印混凝土制备再生混合料，进而制备3D打印油墨，能够实现3D打印混凝土的循环再生利用。

Description

一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法

技术领域

本发明属于建筑3D打印及废弃物资源化的技术领域，涉及一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法。

背景技术

3D打印技术是通过将材料进行逐层叠加的方式来完成实体结构制造的智能建造技术，具有无需模板的特点。3D打印混凝土以混凝土为油墨材料，将3D打印技术应用于建筑工程领域，相较于传统的建筑施工，具有以下优势：1)机械化程度高，施工快，成本低；2)无模板施工，资源消耗少；3)劳动强度低，节省人力；4)施工过程安全、清洁、精确；5)设计自由，实现轻质高强及多功能；6)高度定制化，实现标准化与个性化的统一等优势。因此，3D打印混凝土技术在建筑行业有着广阔的应用前景。随着3D打印技术的发展以及在实际工程中的推广与应用，未来将会建造大量的3D打印混凝土建筑，而打印过程中和打印后的翻新、拆除等也势必会产生大量的废弃3D打印混凝土。

3D打印混凝土逐层叠加的建造方式对混凝土的早期流变性能及硬化后力学性能都有较高要求，既要满足早期可挤出性、可建造性的要求，又要满足后期较高力学性能的要求。因此，3D打印混凝土的配比具有胶凝材料含量高且水化率低、粗细骨料精选、添加剂和纤维含量高的特点，具有较高的回收利用价值。

然而，目前的研究和应用中未曾考虑到3D打印混凝土的再生利用价值和广阔前景。我国仍处于基础建设的高峰时期，建材需求量和建筑废弃物排放量都巨大，这不仅消耗了大量的自然资源，还造成了不可估量的环境污染。将3D打印混凝土回收再利用，特别是将3D打印混凝土回收再利用制备成3D打印油墨，既能节约资源又能减少污染，将给建筑3D打印和废弃物资源化利用的进一步发展带来契机。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的局限性，本发明的目的在于提供一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，提高了3D打印混凝土的再生利用价值，具有较高的环境效益和社会效益。

本发明是采用如下技术方案来实现上述目的：

本发明第一方面提供了一种3D打印油墨，按重量份计，包括以下组分：

优选地，所述3D打印油墨，按重量份计，包括以下组分：

优选地，所述水泥为普通硅酸盐水泥。所述普通硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入6～20％的混合材料、适量石膏磨细制成的。

优选地，所述水泥的强度等级≥42.5级。更优选地，所述水泥的强度等级为42.5级。

优选地，所述植物纤维为木质纤维。

优选地，所述植物纤维的直径为0.19-0.23mm，所述植物纤维的长度为6-18mm。

优选地，所述植物纤维的抗拉强度为400-1500MPa。

优选地，所述偏高岭土的平均粒径为1.1-1.3μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110。所述偏高岭土符合标准DB53/T 843-2017规定。

更优选地，所述偏高岭土的平均粒径为1.2μm。

优选地，所述硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105。所述硅灰符合标准GB/T 27690-2011规定。

优选地，所述水玻璃为硅酸钠(Na₂O·nSiO₂，n为1.5-3.5)。所述水玻璃的CAS号为1344-09-8。所述水玻璃作为激发剂，用于提高偏高岭土、硅灰和3D打印混凝土再生混合料的活性。

优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。具体来说，所述减水剂为由江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBTJM-10型聚羧酸减水剂。

优选地，所述减水剂的密度为1.05-1.15g/cm³。更优选地，所述减水剂的密度为1.09g/cm³。

优选地，所述减水剂的固含量为35-45％。更优选地，所述减水剂的固含量为40％。

优选地，所述纤维素选自羧丙基甲基纤维素或木质纤维素中的一种。

优选地，所述水为自来水。

优选地，所述3D打印混凝土再生混合料是将废弃3D打印混凝土进行破碎后获得。

更优选地，所述废弃3D打印混凝土的强度等级≥C30。所述废弃3D打印混凝土破碎后进行全组分利用。

更优选地，所述破碎方式是将废弃3D打印混凝土在鄂式破碎机和混凝土碎石机中进行多级破碎。

优选地，所述3D打印混凝土再生混合料的粒径范围为＞0且≤10mm。

优选地，所述3D打印混凝土再生混合料包括有3D打印混凝土再生粉、3D打印混凝土再生砂、3D打印混凝土再生细石，所述3D打印混凝土再生粉、3D打印混凝土再生砂、3D打印混凝土再生细石的重量之比为50-150：200-300：600-700。

更优选地，所述3D打印混凝土再生粉、3D打印混凝土再生砂、3D打印混凝土再生细石的重量之比为100：250：650。

所述3D打印混凝土再生混合料的为连续级配，级配优良且粒形良好。

更优选地，所述3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm。所述3D打印混凝土再生粉可用作胶凝材料。

更优选地，所述3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm。

更优选地，所述3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。

所述3D打印混凝土再生砂和3D打印混凝土再生细石可用作骨料。

优选地，所述3D打印混凝土再生混合料的吸水率为3-12％。

由于3D打印混凝土再生混合料具有3-12％的吸水率，所述3D打印油墨的用水量为常规用水量与3D打印混凝土再生混合料所含吸水量之和。所述3D打印油墨的水灰比为水泥与上述3D打印油墨的用水量的比值。

本发明第二方面提供一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，包括以下步骤：

1)按配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰搅拌混合均匀，获得预混合料；

2)按配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水搅拌混合均匀，获得预混合液；

3)将预混合料与预混合液进行第一次搅拌混合后，加入植物纤维进行第二次搅拌混合均匀，以提供所述3D打印油墨。

优选地，步骤1)或2)中，所述搅拌混合的搅拌速度为100-500rpm，搅拌时间为1-7min。

优选地，步骤3)中，所述第一次搅拌混合的搅拌速度为450-1000rpm，搅拌时间为2-8min。

优选地，步骤3)中，所述第二次搅拌混合的搅拌速度为350-800rpm，搅拌时间为3-12min。

优选地，步骤3)中，所述植物纤维逐次加入。

本发明第三方面提供上述3D打印油墨在作为3D打印材料中的用途。

如上所述，本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，其能够充分利用3D打印以及3D打印后的翻新拆除等过程中产生大量的废弃3D打印混凝土，由于废弃3D打印混凝土中胶凝材料含量高、水化率低，用料优质，具有较高的回收利用价值，能够实现3D打印混凝土的循环再生利用。

(2)本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，利用的废弃3D打印混凝土属无筋建造，易于在回收利用中进行分拣，具有较高的环境效益和社会效益。

(3)本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，利用废弃3D打印混凝土破碎得到再生混合料，其相比于普通混凝土破碎得到的再生砂粉，由于废弃3D打印混凝土用料优质，且部分掺有钢纤维等增强材料，其破碎得到的再生混合料相较于普通再生混凝土混合料，具有更高的品质，从而后续制备的3D打印油墨也能够保持较好品质。

(4)本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，由于废弃3D打印混凝土中胶凝材料含量高，且一般掺有促凝剂加速硬化，所以再生混合料具有未水化胶凝材料颗粒含量高的特点，使得利用该混合料所配3D打印油墨水泥用量降低。

(5)本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，由于废弃3D打印混凝土中含有较多种类和较高含量的化学外加剂，当其被破碎成再生混合料，再生混合料制备成新的3D打印油墨时，可减少对应外加剂的掺量，就能使得新的3D打印油墨达到可打印性的要求。

附图说明

图1显示为本发明中一种3D打印油墨的制备流程图。

图2显示为本发明中实施例1-4的颗粒级配情况的曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

制备3D打印油墨样品1#，按重量份计，包括以下组分：水泥300份；3D打印混凝土再生混合料1000份；植物纤维10份；偏高岭土100份；硅灰100份；水玻璃6份；减水剂1.15份；纤维素0.64份；水248份。

其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；植物纤维为木质纤维，直径为0.20mm，长度为12mm，抗拉强度为580MPa；偏高岭土的平均粒径为1.2μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110；硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105；减水剂为聚羧酸减水剂，密度为1.09g/cm³，固含量为40％；纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为自来水。

3D打印混凝土再生混合料由强度≥C30的废弃3D打印混凝土进行智能破碎后获得，3D打印混凝土再生混合料的吸水率为7.3％。1000份的3D打印混凝土再生混合料中包括以下组分：3D打印混凝土再生粉100份；3D打印混凝土再生砂250份；3D打印混凝土再生细石650份。3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm，3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm，3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。3D打印混凝土再生粉可用作胶凝材料，3D打印混凝土再生砂和3D打印混凝土再生细石可用作骨料，其混合后集配曲线见图2。

如图1所示，按上述配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰以400rpm的搅拌速度搅拌5min混合均匀，获得预混合料。按上述配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水以400rpm的搅拌速度搅拌3min混合均匀，获得预混合液。将预混合料与预混合液以700rpm的搅拌速度进行第一次搅拌混合5min后，逐次加入植物纤维以600rpm的搅拌速度进行第二次搅拌8min混合均匀，即得3D打印油墨样品1#。

实施例2

制备3D打印油墨样品2#，按重量份计，包括以下组分：水泥300份；3D打印混凝土再生混合料500份；植物纤维10份；偏高岭土100份；硅灰100份；水玻璃3.5份；减水剂0.97份；纤维素0.71份；水212份。

其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；植物纤维为木质纤维，直径为0.20mm，长度为12mm，抗拉强度为580MPa；偏高岭土的平均粒径为1.2μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110；硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105；减水剂为聚羧酸减水剂，密度为1.09g/cm³，固含量为40％；纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为自来水。

3D打印混凝土再生混合料由强度≥C30的废弃3D打印混凝土进行智能破碎后获得，3D打印混凝土再生混合料的吸水率为7.3％。500份的3D打印混凝土再生混合料中包括以下组分：3D打印混凝土再生粉50份；3D打印混凝土再生砂125份；3D打印混凝土再生细石325份。3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm，3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm，3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。3D打印混凝土再生粉可用作胶凝材料，3D打印混凝土再生砂和3D打印混凝土再生细石可用作骨料，其混合后集配曲线见图2。

如图1所示，按上述配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰以400rpm的搅拌速度搅拌5min混合均匀，获得预混合料。按上述配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水以400rpm的搅拌速度搅拌3min混合均匀，获得预混合液。将预混合料与预混合液以700rpm的搅拌速度进行第一次搅拌混合5min后，逐次加入植物纤维以600rpm的搅拌速度进行第二次搅拌8min混合均匀，即得3D打印油墨样品2#。

实施例3

制备3D打印油墨样品3#，按重量份计，包括以下组分：水泥500份；3D打印混凝土再生混合料700份；植物纤维10份；偏高岭土100份；硅灰100份；水玻璃4.5份；减水剂1.01份；纤维素0.68份；水296份。

其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；植物纤维为木质纤维，直径为0.20mm，长度为12mm，抗拉强度为580MPa；偏高岭土的平均粒径为1.2μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110；硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105；减水剂为聚羧酸减水剂，密度为1.09g/cm³，固含量为40％；纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为自来水。

3D打印混凝土再生混合料由强度≥C30的废弃3D打印混凝土进行智能破碎后获得，3D打印混凝土再生混合料的吸水率为7.3％。700份的3D打印混凝土再生混合料中包括以下组分：3D打印混凝土再生粉70份；3D打印混凝土再生砂175份；3D打印混凝土再生细石455份。3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm，3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm，3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。3D打印混凝土再生粉可用作胶凝材料，3D打印混凝土再生砂和3D打印混凝土再生细石可用作骨料，其混合后集配曲线见图2。

如图1所示，按上述配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰以400rpm的搅拌速度搅拌5min混合均匀，获得预混合料。按上述配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水以400rpm的搅拌速度搅拌3min混合均匀，获得预混合液。将预混合料与预混合液以700rpm的搅拌速度进行第一次搅拌混合5min后，逐次加入植物纤维以600rpm的搅拌速度进行第二次搅拌8min混合均匀，即得3D打印油墨样品3#。

实施例4

制备3D打印油墨对比样品4#，按重量份计，包括以下组分：水泥300份；3D打印混凝土再生混合料1000份；偏高岭土100份；硅灰100份；水玻璃6份；减水剂0.53份；纤维素0.64份；水248份。不添加植物纤维。

其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；偏高岭土的平均粒径为1.2μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110；硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105；减水剂为聚羧酸减水剂，密度为1.09g/cm³，固含量为40％；纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为自来水。

3D打印混凝土再生混合料由强度≥C30的废弃3D打印混凝土进行智能破碎后获得，3D打印混凝土再生混合料的吸水率为7.3％。1000份的3D打印混凝土再生混合料中包括以下组分：3D打印混凝土再生粉100份；3D打印混凝土再生砂250份；3D打印混凝土再生细石650份。3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm，3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm，3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。3D打印混凝土再生粉可用作胶凝材料，3D打印混凝土再生砂和3D打印混凝土再生细石可用作骨料，其混合后集配曲线见图2。

如图1所示，按上述配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰以400rpm的搅拌速度搅拌5min混合均匀，获得预混合料。按上述配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水以400rpm的搅拌速度搅拌3min混合均匀，获得预混合液。将预混合料与预混合液以700rpm的搅拌速度进行第一次搅拌混合5min后，逐次加入植物纤维以600rpm的搅拌速度进行第二次搅拌8min混合均匀，即得3D打印油墨对比样品4#。

对比例1

制备普通建筑3D打印砂浆样品1*，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂1000份、减水剂0.75份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、纤维素1.28份、水350份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25-0.35mm，天然细砂的含水率在4-6％；减水剂为聚羧酸减水剂；葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠；纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为自来水。

按上述配比将水泥、天然砂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土、纤维素混合后以300-700rpm的搅拌速度搅拌3-7min至均匀，再加入水混合后以800-1000rpm的搅拌速度搅拌3-7min至均匀，即得普通建筑3D打印砂浆样品1*。

对比例2

制备普通建筑C30混凝土样品2*，以重量份计，包括以下组分：水泥461份、天然砂512份、石子1252份、水175份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然河砂；石子为普通碎石；水为自来水。

按上述配比将水泥、天然砂、石子混合后以350-800rpm的搅拌速度搅拌2-10min至均匀，再加入水混合后以450-1000rpm的搅拌速度搅拌2-10min至均匀，即得普通建筑C30混凝土样品2*。

测试例1

将实施例1-3配制的3D打印油墨样品1#-3#、实施例4配制的3D打印油墨对比样品4#选用的3D打印混凝土再生混合料进行比较，其集配曲线见图2。由图2可知，实施例1-4中3D打印混凝土再生混合料的颗粒级配大体相近，级配良好，细集料含量高，且实施例1和4中样品的级配相同，实施例2和3中样品的级配相同。

测试例2

分别将实施例1-3配制的3D打印油墨样品1#-3#、实施例4配制的3D打印油墨对比样品4#，与对比例1制备的普通建筑3D打印砂浆样品1*、对比例2制备的普通建筑C30混凝土样品2*，采用3D打印机和浇筑的方式，得到构件样品。对各构件样品进行养护，养护方式为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为90-95％，标准养护的养护龄期为28天。上述构件样品除了组成材料不同以外，其他试验条件和养护方法完全相同。

对上述各构件样品进行早期流变性能和硬化后力学性能测试，得到的试验结果如表1所示。由表1可知，实施例1-4采用废弃3D打印混凝土制备的3D打印油墨的废料利用率达到了64.3-80％，且抗压强度与对比例1中普通3D打印油墨、对比例2中C30混凝土接近，说明采用废弃3D打印混凝土制备的3D打印油墨既能够实现废弃物的再生利用，又能够满足了普通3D打印混凝土的可打印性和抗压强度的要求。

此外，实施例1-3中3D打印油墨样品1#-3#，相比实施例4中制备的3D打印油墨对比样品4#，添加了植物纤维，大大提高油墨的抗折强度，有利于3D打印油墨的实际推广和应用。

表1早期流变性能和硬化后力学性能试验结果

注：废料利用率是指胶凝材料和骨料中的废料占比

综上所述，本发明提供的一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，充分利用废弃3D打印混凝土制备再生混合料，进而制备3D打印油墨，能够实现3D打印混凝土的循环再生利用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种油墨，按重量份计，包括以下组分：

2.根据权利要求1所述的油墨，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：

3.根据权利要求1所述的油墨，其特征在于，所述3D打印混凝土再生混合料是将废弃3D打印混凝土进行破碎后获得；所述3D打印混凝土再生混合料的粒径范围为＞0且≤10mm。

4.根据权利要求1所述的油墨，其特征在于，所述3D打印混凝土再生混合料包括有3D打印混凝土再生粉、3D打印混凝土再生砂、3D打印混凝土再生细石，所述3D打印混凝土再生粉、3D打印混凝土再生砂、3D打印混凝土再生细石的重量之比为50-150：200-300：600-700。

5.根据权利要求4所述的油墨，其特征在于，所述3D打印混凝土再生粉的粒径范围为＞0且≤0.075mm；所述3D打印混凝土再生砂的粒径范围为0.16-4.75mm；所述3D打印混凝土再生细石的粒径范围为5-10mm。

6.根据权利要求1所述的油墨，其特征在于，包括以下条件中任一项或多项：

A)所述水泥为普通硅酸盐水泥；所述水泥的强度等级≥42.5级；

B)所述植物纤维为木质纤维；

C)所述植物纤维的直径为0.19-0.23mm，所述植物纤维的长度为6-18mm，所述植物纤维的抗拉强度为400-1500MPa；

D)所述偏高岭土的平均粒径为1.1-1.3μm，比表面积为18-24m²/g，活性指数≥110；

E)所述硅灰的比表面积为13-20m²/g，活性指数≥105；

F)所述减水剂为聚羧酸减水剂；

G)所述减水剂的密度为1.05-1.15g/cm³；所述减水剂的固含量为35-45％；

H)所述纤维素选自羧丙基甲基纤维素或木质纤维素中的一种；

I)所述水为自来水。

7.根据权利要求1-6任一所述的油墨的制备方法，包括以下步骤：

1)按配比将3D打印混凝土再生混合料与水泥、偏高岭土、硅灰搅拌混合均匀，获得预混合料；

2)按配比将水玻璃、减水剂、纤维素、水搅拌混合均匀，获得预混合液；

3)将预混合料与预混合液进行第一次搅拌混合后，加入植物纤维进行第二次搅拌混合均匀，以提供所述3D打印油墨。

8.根据权利要求7所述的油墨的制备方法，其特征在于，步骤1)或2)中，所述搅拌混合的搅拌速度为100-500rpm，搅拌时间为1-7min。

9.根据权利要求7所述的油墨的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述第一次搅拌混合的搅拌速度为450-1000rpm，搅拌时间为2-8min；所述第二次搅拌混合的搅拌速度为350-800rpm，搅拌时间为3-12min。

10.根据权利要求1-6任一所述的油墨在作为3D打印材料中的用途。

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