CN113683375B - 一种石膏基3d打印砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石膏基3D打印砂浆及其制备方法，石膏基3D打印砂浆中循环流化床粉煤灰的重量份数为10～15份，石膏中SO3的重量份数为15～22份，砂的重量份数为45～55份，氢氧化钙的重量份数为1～2份，微硅粉的重量份数为3～4份，水的重量份数为10～15份，还加入木质素纤维和分散剂。石膏基3D打印砂浆的制备方法，依次包括循环流化床粉煤灰粉磨预处理步骤、胶凝材料制备步骤、干粉料制备步骤和打印砂浆制备步骤。本发明充分利用工业废弃物循环流化床粉煤灰，减少其造成的环境负担，并且制备形成的3D打印砂浆性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料工程的技术领域，具体涉及一种石膏基3D打印砂浆及其制备方法。
背景技术
随着环境保护要求的进一步加强，各种工业废弃物的综合利用得到了广泛的关注。优质粉煤灰和矿粉在水泥混凝土行业广泛应用并成为了稀缺资源。
循环流化床粉煤灰在化学组成、矿物组成、性能表现上都与普通粉煤灰不同，循环流化床粉煤灰具有颗粒较粗、形貌不规则、f-CaO和SO3含量高，以及以硬石膏和石灰作为主要矿物组成等特点，大部分都不符合现有的技术标准和使用规范，因而难以直接应用在水泥混凝土中。因此，循环流化床粉煤灰利用率一直很低，其依然对环境造成沉重的负担。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能有效利用工业废弃物循环流化床粉煤灰来制备石膏基3D打印砂浆的方法及制备形成的石膏基3D打印砂浆材料。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种石膏基3D打印砂浆，包括循环流化床粉煤灰、石膏、砂、木质素纤维、氢氧化钙、微硅粉、分散剂和水，其中，所述循环流化床粉煤灰的重量份数为10～15份，所述石膏中SO3的重量份数为15～22份，所述砂的重量份数为45～55份，所述氢氧化钙的重量份数为1～2份，所述微硅粉的重量份数为3～4份，所述水的重量份数为10～15份。
优选的，还包括硼砂，所述硼砂的重量份数为0.01～0.03份；所述木质素纤维的重量份数为0.1～0.2份，所述分散剂的重量份数为0.01～0.05份。
优选的，所述石膏包括脱硫石膏和天然石膏，所述脱硫石膏和所述天然石膏中SO3的质量分数均为50％以上，所述脱硫石膏的重量份数为15～20份，所述天然石膏的重量份数为10～15份。
优选的，所述脱硫石膏的含水率低于10％；所述天然石膏的比表面积为400～500m2/kg。
优选的，所述循环流化床粉煤灰的比表面积为500～600m2/kg；所述砂的细度为40～70目；所述微硅粉中SiO2的含量为90％以上，所述微硅粉的比表面积为15000～20000m2/kg。
优选的，所述木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％；所述分散剂为低浓型萘系减水剂，所述分散剂的减水率为15％以上。
一种石膏基3D打印砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨；
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得胶凝材料，其中，流化床粉煤灰的重量分数为10～15份，石膏中SO3的重量份数为13-18份，氢氧化钙的重量份数为1～2份，微硅粉的重量份数为3～4份；
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，所述砂的重量份数为45～55份，再加入木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料；
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，所述水的重量份数为10～15份，制得石膏基3D打印砂浆。
优选的，在步骤S3中还加入硼砂，硼砂与木质素纤维和分散剂一起加入，所述硼砂的重量份数为0.01～0.03份；所述木质素纤维的重量份数为0.1～0.2份，所述分散剂的重量份数为0.01～0.05份。
优选的，所述S2制备胶凝材料中的石膏包括脱硫石膏和天然石膏，所述脱硫石膏中SO3的质量分数为50％以上，含水率为10％以下，所述脱硫石膏的重量份数为15～20份，所述天然石膏中SO3的质量分数为50％以上，比表面积为400～500m2/kg，所述天然石膏的重量份数为10～15份。
优选的，所述循环流化床粉煤灰粉磨至比表面积为500～600m2/kg；所述砂的细度为40～70目；所述微硅粉中SiO2的含量为90％以上，所述微硅粉的比表面积为15000～20000m2/kg；所述木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％；所述分散剂为低浓型萘系减水剂，所述分散剂的减水率为15％以上。
优选的，步骤S4的涉及的反应式为：
CaO+H2O＝Ca(OH)2；
CaSO4+H2O＝CaSO4·2H2O；
SiO2+xCa(OH)2+H2O＝xCaO·SiO2·H2O；
A12O3+yCa(OH)2+H2O＝yCaO·A12O3·H2O；
yCaO·A12O3·H2O+CaSO4·2H2O+H2O＝zCaO·A12O3·CaSO4·H2O。
本发明石膏基3D打印砂浆及其制备方法，充分利用工业废弃物循环流化床粉煤灰，并同时解决部分脱硫石膏的再利用问题，制备形成石膏基3D打印砂浆。不仅提高了对工业废弃物循环流化床粉煤灰的再利用率，减少其造成的环境负担，而且所制备形成的3D打印砂浆强度高、耐水性强，保温隔音效果好，在建筑行业中可广泛应用。
具体实施方式
以下结合给出的实施例，进一步说明本发明石膏基3D打印砂浆及其制备方法的具体实施方式。本发明石膏基3D打印砂浆及其制备方法不限于以下实施例的描述。
实施例一
本实施例提供一种石膏基3D打印砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨，优选粉磨至比表面积为500～600㎡/kg。
循环流化床粉煤灰为循环流化床锅炉烟道中所收集的粉煤灰，循环流化床粉煤灰的颗粒较粗、以不规则颗粒为主、f-CaO和SO3含量高，以及由于其采用的是喷钙脱硫法，因此在循环流化床粉煤灰中含有大量未反应的脱硫剂石灰和脱硫产物硬石膏。对循环流化床粉煤灰进行粉磨至其比表面积为500～600㎡/kg，循环流化床粉煤灰的比表面积越高，则反应活性越大，并且，循环流化床粉煤灰粉磨至该比表面积使其自身含有的f-CaO颗粒在后期制备砂浆的过程中易于与水发生反应，从而消除f-CaO对砂浆及打印形成的建筑物安定性的不良影响。上述粉磨可以是立磨、管式磨、辊压机等多种方式，粉磨方式不限。
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得凝胶材料，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为12份，石膏中SO3的重量份数为15份，氢氧化钙的重量份数为1份，微硅粉的重量份数为3份。
为了进一步提高工业废弃物的利用率，降低本方法制备3D打印砂浆的成本，本步骤中的石膏可以是工业废料脱硫石膏与天然石膏的混合物，脱硫石膏中含有一定量的半水亚硫酸钙和其他杂质，脱硫石膏的加入会影响砂浆的凝结时间和早期强度，故控制脱硫石膏的加入量以及其有效成分的含量能有效保证脱硫石膏的品质，本实施例中通过SO3的含量来表征脱硫石膏的品质，另外，脱硫石膏的含水量还会影响砂浆制备过程中的下料难易程度。而天然石膏的品质好，但成本较高，且需要将其粉磨至较高的比表面积，使其具有较高的反应活性。因此，本实施例中脱硫石膏中SO3的质量分数要求为50％以上，含水率为10％以下，脱硫石膏的重量份数为15～20份，天然石膏中SO3的质量分数要求为50％以上，比表面积为400～500m2/kg，天然石膏重量份数为10～15份。具体的，本实施例中所采用脱硫石膏中SO3的含量为60％，重量份数为15份，天然石膏中SO3的含量为60％，重量份数为10份。
微硅粉中SiO2的含量为90％以上，微硅粉的比表面积为15000～20000m2/kg，微硅粉为高活性的超细粉体，作为原材料加入到砂浆的制备过程中，具有微填充的效果，有助于提升砂浆的强度。
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，再加入硼砂、木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料，其中，砂的重量份数为52份，硼砂的重量份数为0.01份，木质素纤维的重量份数为0.1份，分散剂的重量份数为0.02份。
本实施例中的砂为砂浆强度的主要来源，采用细砂或中砂，其细度为40～70目。硼砂作为缓凝剂，能降低水泥或石膏的水化速度和水化热，从而延长砂浆的凝结时间，使砂浆更适用于3D打印设备中使用。木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％，在打印砂浆中作为稳定剂以提高打印砂浆的增稠抗裂性能。分散剂为减水剂，优选为低浓型萘系减水剂，分散剂的减水率为15％以上，萘系减水剂是经化工合成的非引气型高效减水剂，具体为萘磺酸盐甲醛缩合物，它具有很强的分散作用，提升浆体的流动性，便于浆体在3D打印机的管道内流动，并能有效提高砂浆的力学性能。
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，水的重量份数为10份，制得石膏基3D打印砂浆，加入打印设备中即可进行打印操作。
该步骤中，天然石膏颗粒以及脱硫石膏颗粒与水结合形成二水石膏结构，在打印后干燥的过程中能迅速硬化从而使打印材料产生强度。
同时，加水后，循环流化床粉煤灰中的SiO2、Al2O3以及微硅粉中的SiO2与石膏、氢氧化钙以及循环流化床粉煤灰自身所含有的CaO反应，生成水化硫铝酸钙和C-S-H凝胶，水化硫铝酸钙和C-S-H凝胶具有较高的早期强度和一定幅度的后期强度增长，为砂浆提供强度。并且，在打印后干燥过程中，水化硫铝酸钙与二水石膏能共同形成硬化浆体，提升所制备砂浆的凝固速度和早期强度，更利于在3D打印设备中的应用，水化硫铝酸钙、C-S-H凝胶以及硬化浆体生成的反应式如下所示：
CaO+H2O＝Ca(OH)2；
CaSO4+H2O＝CaSO4·2H2O；
SiO2+xCa(OH)2+H2O＝xCaO·SiO2·H2O；
A12O3+yCa(OH)2+H2O＝yCaO·A12O3·H2O；
yCaO·A12O3·H2O+CaSO4·2H2O+H2O＝zCaO·A12O3·CaSO4·H2O
采用上述方法制备形成3D打印砂浆，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为12份，石膏中SO3的重量份数为15份，砂的重量份数为52份，氢氧化钙的重量份数为1份，微硅粉的重量份数为3份，硼砂的重量份数为0.01份，木质素纤维的重量份数为0.1份，分散剂的重量份数为0.02份，水的重量份数为10份。
使用制备形成的打印砂浆加入3D打印机进行打印作业，打印机参数设置为：行走速度0.5米/秒，打印层厚1.2cm，将打印完成的坯体静置自然养护。对养护后的坯体切割处理并进行强度测试，坯体的抗压强度为34.3MPa。
实施例二
本实施例提供一种石膏基3D打印砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨，优选粉磨至比表面积为500～600㎡/kg。
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与脱硫石膏、天然石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得凝胶材料，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为14份，脱硫石膏中SO3的含量为55％，重量份数为20份，天然石膏中SO3的含量为60％，重量份数为15份，氢氧化钙的重量份数为2份，微硅粉SiO2的含量为90％以上，比表面积为15000～20000m2/kg，重量份数为4份。
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，再加入硼砂、木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料。其中，砂的细度为40～70目，重量份数为46份；硼砂的重量份数为0.02份；木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％，重量份数为0.1份；分散剂为低浓型萘系减水剂，减水率为15％，重量份数为0.02份。
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，水的重量份数为14份，制得石膏基3D打印砂浆，加入打印设备中即可进行打印操作。
采用上述方法制备形成3D打印砂浆，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为14份，石膏中SO3的重量份数为20份，砂的重量份数为46份，氢氧化钙的重量份数为2份，微硅粉的重量份数为4份，硼砂的重量份数为0.02份，木质素纤维的重量份数为0.1份，分散剂的重量份数为0.02份，水的重量份数为14份。
使用制备形成的打印砂浆加入3D打印机进行打印作业，打印机参数设置为：行走速度0.5米/秒，打印层厚1.2cm，将打印完成的坯体静置自然养护。对养护后的坯体切割处理并进行强度测试，坯体的抗压强度为35.1MPa。
实施例三
本实施例提供一种石膏基3D打印砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨，优选粉磨至比表面积为500～600㎡/kg。
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与脱硫石膏、天然石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得凝胶材料，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为10份，脱硫石膏中SO3的含量为50％，重量份数为18份，天然石膏中SO3的含量为55％，重量份数为12份，氢氧化钙的重量份数为1.5份，微硅粉SiO2的含量为90％以上，比表面积为15000～20000m2/kg，重量份数为3.5份。
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，再加入木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料。其中，砂的细度为40～70目，重量份数为45份；木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％，重量份数为0.15份；分散剂为低浓型萘系减水剂，减水率为15％，重量份数为0.01份。
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，水的重量份数为11份，制得石膏基3D打印砂浆，加入打印设备中即可进行打印操作。
采用上述方法制备形成3D打印砂浆，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为10份，石膏中SO3的重量份数为15.6份，砂的重量份数为45份，氢氧化钙的重量份数为1.5份，微硅粉的重量份数为3.5份，木质素纤维的重量份数为0.15份，分散剂的重量份数为0.01份，水的重量份数为11份。
使用制备形成的打印砂浆加入3D打印机进行打印作业，打印机参数设置为：行走速度0.5米/秒，打印层厚1.2cm，将打印完成的坯体静置自然养护。对养护后的坯体切割处理并进行强度测试，坯体的抗压强度为32.9MPa。
实施例四
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨，优选粉磨至比表面积为500～600㎡/kg。
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与脱硫石膏、天然石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得凝胶材料，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为15份，脱硫石膏中SO3的含量为65％，重量份数为20份，天然石膏中SO3的含量为60％，重量份数为15份，氢氧化钙的重量份数为2份，微硅粉SiO2的含量为90％以上，比表面积为15000～20000m2/kg，重量份数为4份。
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，再加入硼砂、木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料。其中，砂的细度为40～70目，重量份数为55份；硼砂的重量份数为0.03份；木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％，重量份数为0.2份；分散剂为低浓型萘系减水剂，减水率为15％，重量份数为0.05份。
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，水的重量份数为15份，制得石膏基3D打印砂浆，加入打印设备中即可进行打印操作。
采用上述方法制备形成3D打印砂浆，其中，循环流化床粉煤灰的重量份数为15份，石膏中SO3的重量份数为22份，砂的重量份数为55份，氢氧化钙的重量份数为2份，微硅粉的重量份数为4份，硼砂的重量份数为0.03份，木质素纤维的重量份数为0.2份，分散剂的重量份数为0.05份，水的重量份数为15份。
使用制备形成的打印砂浆加入3D打印机进行打印作业，打印机参数设置为：行走速度0.5米/秒，打印层厚1.2cm，将打印完成的坯体静置自然养护。对养护后的坯体切割处理并进行强度测试，坯体的抗压强度为35.8MPa。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石膏基3D打印砂浆，其特征在于，包括循环流化床粉煤灰、石膏、砂、木质素纤维、氢氧化钙、微硅粉、分散剂和水，其中，所述循环流化床粉煤灰的重量份数为10～15份，所述石膏中SO3的重量份数为15～22份，所述砂的重量份数为45～55份，所述氢氧化钙的重量份数为1～2份，所述微硅粉的重量份数为3～4份，所述水的重量份数为10～15份。
2.根据权利要求1所述的石膏基3D打印砂浆，其特征在于，还包括硼砂，所述硼砂的重量份数为0.01～0.03份；所述木质素纤维的重量份数为0.1～0.2份，所述分散剂的重量份数为0.01～0.05份。
3.根据权利要求1所述的石膏基3D打印砂浆，其特征在于，所述石膏包括脱硫石膏和天然石膏，所述脱硫石膏和所述天然石膏中SO3的质量分数均为50％以上，所述脱硫石膏的重量份数为15～20份，所述天然石膏的重量份数为10～15份。
4.根据权利要求3所述的石膏基3D打印砂浆，其特征在于，所述脱硫石膏的含水率低于10％；所述天然石膏的比表面积为400～500m2/kg。
5.根据权利要求1所述的石膏基3D打印砂浆，其特征在于，所述循环流化床粉煤灰的比表面积为500～600m2/kg；所述砂的细度为40～70目；所述微硅粉中SiO2的含量为90％以上，所述微硅粉的比表面积为15000～20000m2/kg；所述木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％；所述分散剂为低浓型萘系减水剂，所述分散剂的减水率为15％以上。
6.一种石膏基3D打印砂浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1预处理：对循环流化床粉煤灰进行粉磨；
S2制备胶凝材料：粉磨后的循环流化床粉煤灰与石膏、氢氧化钙以及微硅粉混合搅拌至均匀，制得胶凝材料，其中，流化床粉煤灰的重量分数为10～15份，石膏中SO3的重量份数为13-18份，氢氧化钙的重量份数为1～2份，微硅粉的重量份数为3～4份；
S3制备干粉料：向胶凝材料中加入砂混合，所述砂的重量份数为45～55份，再加入木质素纤维和分散剂，搅拌均匀，制得打印砂浆干粉料；
S4制备打印砂浆：打印砂浆干粉料加水搅拌均匀，所述水的重量份数为10～15份，制得石膏基3D打印砂浆。
7.根据权利要求6所述的石膏基3D打印砂浆的制备方法，其特征在于，在步骤S3中还加入硼砂，硼砂与木质素纤维和分散剂一起加入，所述硼砂的重量份数为0.01～0.03份；所述木质素纤维的重量份数为0.1～0.2份，所述分散剂的重量份数为0.01～0.05份。
8.根据权利要求6所述的石膏基3D打印砂浆的制备方法，其特征在于，所述S2制备胶凝材料中的石膏包括脱硫石膏和天然石膏，所述脱硫石膏中SO3的质量分数为50％以上，含水率为10％以下，所述脱硫石膏的重量份数为15～20份，所述天然石膏中SO3的质量分数为50％以上，比表面积为400～500m2/kg，所述天然石膏的重量份数为10～15份。
9.根据权利要求6所述的石膏基3D打印砂浆的制备方法，其特征在于，
所述循环流化床粉煤灰粉磨至比表面积为500～600m2/kg；所述砂的细度为40～70目；所述微硅粉中SiO2的含量为90％以上，所述微硅粉的比表面积为15000～20000m2/kg；所述木质素纤维的长度小于6mm，灰分含量低于15％；所述分散剂为低浓型萘系减水剂，所述分散剂的减水率为15％以上。
10.根据权利要求6所述的石膏基3D打印砂浆的制备方法，其特征在于，步骤S4的涉及的反应式为：
CaO+H2O＝Ca(OH)2；
CaSO4+H2O＝CaSO4·2H2O；
SiO2+xCa(OH)2+H2O＝xCaO·SiO2·H2O；
A12O3+yCa(OH)2+H2O＝yCaO·A12O3·H2O；
yCaO·A12O3·H2O+CaSO4·2H2O+H2O＝zCaO·A12O3·CaSO4·H2O。
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