CN114134855A - 一种3d打印南海岛礁防波堤及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印南海岛礁防波堤，涉及到防波堤技术领域，包括堤心石，堤心石铺设在岛礁地基上，堤心石的一侧面倾斜设置，堤心石的表面铺设有垫层块石，垫层块石的上表面通过3D打印机打印有一层3D打印混凝土护面。本发明还公开了一种3D打印南海岛礁防波堤的制作方法，包括搅拌前期材料、搅拌减水剂、搅拌纤维和3D打印四个步骤，从而具有良好的装饰作用和降低混凝土收缩开裂风险。本发明通过将3D打印混凝土技术应用于南海岛礁的防波堤建造中，将防波堤的面层打印成多种多样的消波图案和结构，既起到消波的作用，又可以达到一定的艺术美学效果。

Description

一种3D打印南海岛礁防波堤及其制作方法

技术领域

本发明涉及防波堤技术领域，特别涉及一种3D打印南海岛礁防波堤及其制作方法。

背景技术

岛礁所处的海洋环境恶劣，其水深面宽、热带气旋活跃、季风盛行，岛礁防浪建筑物往往靠近礁缘，在畸形波、台风浪、风暴潮浪等极端波浪作用下，波浪破碎后的波生流直接冲击岛确礁防浪建筑物，波浪力的大小不仅影响防浪建筑物本身的结构稳定，还对回填砂岛的安全性、岛礁其他附属设施的有效运行起到了决定性的作用。在南海岛礁四周修建防波堤可以减小波浪对于岛礁的冲击，从而起到保护岛礁被冲垮的作用。防波堤的作用是防御波浪入侵，形成一个掩蔽水域所需要的水工建筑物。位于南海岛礁水域的外围，兼防漂沙和冰凌的入侵。有的防波堤内侧也兼作码头用或安装一定的锚系设备，可供船泊靠泊。按其平面布置形状，防波堤分突堤和岛堤；按断面形式，分斜坡式、直墙式和混成式三种。防波堤为阻断波浪的冲击力、围护岛礁、维持水面平稳以保护岛礁免受坏天气影响、以便船舶安全停泊和作业而修建的水中建筑物。防波堤还可起到防止港池淤积和波浪冲蚀岸线的作用。

南海岛礁的防波堤一般由堤心石、垫层块石和混凝土护面三部分组成，而混凝土护面一般由扭王块组成，现有的防波堤主要为扭王块等预制构件，其铺设在岛礁地基上，难以与地基的表面紧密贴合，而且扭王块需要预制，难以根据现场实际情况进行调整，从而影响消波的效果。因此，发明一种3D打印南海岛礁防波堤及其制作方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印南海岛礁防波堤及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种3D打印南海岛礁防波堤，包括堤心石(1)，所述堤心石(1)铺设在岛礁地基上，所述堤心石(1)的一侧面倾斜设置用于减缓波浪的冲击，所述堤心石(1)的表面铺设有垫层块石(2)，所述垫层块石(2)的上表面通过3D打印机(3)打印有一层3D打印混凝土护面(4)，所述3D打印混凝土护面(4)原料组分包括：白色硅酸盐水泥600kg/m³、高贝利特硫铝酸盐水泥150kg/m³、膨胀剂50kg/m³、硅灰120kg/m³、钙质砂1200kg/m³、纳米材料80kg/m³、减水剂2.8kg/m³、纤维0.002kg/m³、以及水330kg/m³。

优选的，所述白色硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥P.O 52.5。

优选的，所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂。

优选的，所述钙质砂粒径0.18-0.55mm。

优选的，所述纳米材料为纳米黏土或纳米氧化镁中至少一种，过1000目筛。

优选的，所述减水剂为聚羧酸基减水剂。

优选的，所述纤维为玄武岩纤维。

一种3D打印混凝土护面材料的制备方法，原料组分包括：白色硅酸盐水泥600kg/m³、高贝利特硫铝酸盐水泥150kg/m³、膨胀剂50kg/m³、硅灰120kg/m³、钙质砂1200kg/m³、纳米材料80kg/m³、减水剂2.8kg/m³、纤维0.002kg/m³、以及水330kg/m³，具体包括以下制备步骤：

步骤一：将白色硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥、膨胀剂、硅灰、钙质砂和纳米材料加入搅拌机中搅拌5min；

步骤二：将一半的水和减水剂混合物倒入搅拌机中搅拌；搅拌2min之后，再将剩余的水和减水剂混合物加入搅拌机中继续搅拌2min；

步骤三：将纤维加入搅拌机中搅拌至完全混合均匀即得。

优选的，在环境温度为30±5℃，相对湿度为60±10％条件下：

钙质砂的技术指标为

纳米材料为纳米黏土蒙脱石衍生物时的技术指标为

纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为

纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为

减水剂为聚羧酸基减水剂时，聚羧酸基减水剂含固量8％，减水率24％。

优选的，所述高贝利特硫铝酸盐水泥比表面积、凝结时间和自由膨胀率如下表：

抗压强度如下表：

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过将3D打印混凝土技术应用于南海岛礁的防波堤建造中，就地运用钙质砂作为本土材料，并运用纳米材料技术，结合3D打印的图案多样性，可将防波堤的面层通过3D打印设备打印成多种多样的消波图案和结构，既起到消波的作用，又可以达到一定的艺术美学效果，增加南海岛礁的外围美观效果；

2、本发明3D打印混凝土原材料选取的粉末类和细集料类原材料均为白色或灰白色，白色普通硅酸盐水泥拥有较高的白度，色泽明亮，具有良好的装饰作用，高贝利特硫铝酸盐水泥凝结速度快、早期强度比较高，具有明显的促凝作用，可将其与硅酸盐水泥复掺来制备3D打印材料；

3、本发明外加剂采用聚羧酸基减水剂，含固量8％，减水率24％，为减小高水泥掺量带来的混凝土高收缩率，降低混凝土收缩开裂风险，采用膨胀剂和纤维共同调控收缩的方法，采用硫铝酸钙类膨胀剂对所配制的3D打印混凝土进行收缩补偿和调控，以期达到低收缩、微膨胀的效果，纤维选用玄武岩纤维，用以提升抗收缩和抗开裂能力。

附图说明

图1为本发明整体结构剖面示意图。

图2为本发明3D打印南海岛礁防波堤的制作流程示意图。

图3为本发明钙质砂结构颗粒级配曲线示意图。

图4为钙质砂元素分析示意图。

图5为纳米黏土的EDS分析图。

图6为纳米MgO的EDS分析图。

图中：1、堤心石；2、垫层块石；3、3D打印机；4、3D打印混凝土护面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-6所示的一种3D打印南海岛礁防波堤，包括堤心石1，堤心石1铺设在处理后的南海岛礁地基上，堤心石1的一侧面倾斜设置用于减缓波浪的冲击，堤心石1的表面铺设有垫层块石2，垫层块石2的上表面设置有3D打印机3，垫层块石2的上表面通过3D打印机3打印有一层3D打印混凝土护面4，可将3D打印混凝土护面4打印成消波结构图案。所述3D打印混凝土护面(4)原料组分包括：白色硅酸盐水泥600kg/m³、高贝利特硫铝酸盐水泥150kg/m³、膨胀剂50kg/m³、硅灰120kg/m³、钙质砂1200kg/m³、纳米材料80kg/m³、减水剂2.8kg/m³、纤维0.002kg/m³、以及水330kg/m³。

本发明所述3D打印混凝土护面(4)材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：搅拌前期材料：将前期材料加入搅拌机中搅拌5min，其中，前期材料包括白色硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥、膨胀剂、硅灰、钙质砂和纳米材料。

具体的，白色硅酸盐水泥即现有的白色普通硅酸盐水泥，是由氧化铁含量少的白色硅酸盐水泥熟料、适量石膏及石灰石和窑灰的混合材料磨细制成的水硬性胶凝材料，白色普通硅酸盐水泥中三氧化硫的含量不超过3.5％，经80μm方孔筛的筛余不超过10.0％，白色硅酸盐水泥的初凝时间不少于45min，终凝时间不迟于10h，安定性用沸煮法检验必须合格，白色普通硅酸盐水泥的白度值不低于87，其拥有较高的白度，色泽明亮，具有良好的装饰作用。

进一步的，高贝利特硫铝酸盐水泥即现有的高贝利特硫铝酸盐水泥，以适当成分的高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，掺加适量石膏、矿渣等活性或非活性混合材料磨细制成的具有抗裂和快凝快硬性能的水硬性胶凝材料,称为抗裂双快高贝利特硫铝酸盐水泥，其凝结速度快、早期强度比较高，具有明显的促凝作用，可将其与白色硅酸盐水泥复掺制备3D打印材料。

本发明选用的高贝利特硫铝酸盐水泥比表面积、凝结时间和自由膨胀率如表1所示：

表1

抗压强度如表2所示：

表2

已知高贝利特硫铝酸盐水泥优异性如下：

1、体积变化率极小，抗开裂性能极为优异

混凝土开裂的主要原因是由于水泥的收缩较大、体积变化率大造成的，一般具有膨胀性能的水泥标准的膨胀率均采用自由膨胀率指标，直观的体现了水泥的体积变化率，直接关系到混凝土的抗开裂性能，本水泥具有微膨胀功能，以膨胀补偿干缩，两者的落差小，尤其是自由状态下的干缩值抗裂双快水泥只有硅酸盐水泥的1/10-1/8左右，这对提高水泥的抗裂性能是一个革命性的进步。

2、快凝快硬

凝结硬化快，4小时抗压强度≥15MPa以上，目前有产品2h抗压强度已达到10MPa左右。

3、和易性好、较好养护，表面不易泌水、起砂

硫铝酸盐水泥对养护要求较高，稍有不慎极容易造成混凝土表面起砂，从而使混凝土吸水率增加，降低混凝土抗渗能力和耐久性，抗裂双快水泥较好的解决了这个问题。

4、水化放热总量低

本发明采用的快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物为硅酸二钙、硫铝酸钙含量较低，没有硅酸三钙矿物，所以水化放热总量低。

5、抗渗性好

具有微膨胀性能，同硅酸盐基准水泥比较，同压力下渗透高度仅为硅酸盐基准水泥的一半，抗渗性能大大高于硅酸盐水泥。

6、抗硫酸盐腐蚀性能好

180d龄期，3％硫酸钠溶液腐耐蚀系数1.46、3％碳酸钠溶液腐耐蚀系1.41、3％氯化钠溶液腐耐蚀系数1.51，对以上腐蚀介质抗腐蚀效果极好。

并且，膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，对所配制的3D打印材料进行收缩补偿和调控，以期达到低收缩、微膨胀的效果。

硅灰为白色硅灰，能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体，其掺量为胶凝材料量的5-10％，硅灰须与减水剂配合使用。

其次，钙质砂的骨料就地取材采用粒径0.18-0.55mm的钙质砂，钙质砂就地取自海南省三沙市南海岛礁地区，为松散未胶结的砂颗粒，与常规的陆源硅质砂相比，钙质砂的颜色偏白。

钙质砂中含有珊瑚碎屑，因此白色砂颗粒中会出现一些红色颗粒；钙质砂物理基本力学指标如表3所示：

表3

由表3可知，钙质砂的基本力学性质受到诸多因素的影响，例如：海水冲击荷载、温度以及地震荷载等因素。因此，钙质砂在工程性质方面有别于普通陆源砂。钙质砂多孔隙且形状不规则。

颗粒级配分析是用来测定钙质砂颗粒中各种粒径的砂颗粒的质量占钙质砂总体质量的比值，以便分析钙质砂粒径的分布情况。本发明中所用的钙质砂为2mm以下的粒径，将取回的松散未胶结的钙质砂烘干，去除珊瑚枝、水草和小贝壳等杂物，以减少对筛分试验的误差。根据《GBT50123-2019土工试验标准》，称取质量为300g的钙质砂，采用2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm以及0.074mm的标准筛网进行过筛。为了避免单次筛分试验带来数据的偏差，重复筛分试验3次，绘制出的颗粒级配曲线如图3所示。

由图4可知，钙质砂中主要包含Ca、C、O、Mg、Na和S等元素，Si和Al元素的含量极少，而陆源砂则是富含Si和Al等元素。在海洋环境中，Ca2+容易被Mg²⁺置换，而海水中富含卤族元素，故Mg元素则体现了其特有的沉积环境。陆源砂中有矿物成分，其Si、Al和K元素与的含量远远要高于钙质砂。因此，从钙质砂的元素组成方面，可以区分钙质砂和陆源砂。

纳米材料为纳米黏土，是蒙脱石的纳米级别衍生物，微观结构较为致密且含有较多细小的颗粒，其主要的物理性质如表4所示：

表4

由表4和图5可知：纳米黏土主要包含Si、O、Al、Ca和C等元素，其外观表现为浅粉色粉末状。

纳米材料还可以为纳米MgO，其颗粒小且结构致密，其主要物理力学指标如表5所示：

表5

其质量检测指标如表6所示：

表6

由表5、表6和图6可知：纳米MgO外观表现为白色无味的粉末状，粒径小，在40nm-60nm之间，纯度高且具有高熔点和沸点，元素主要包含Mg和O。

步骤二：搅拌减水剂：将一半的水和减水剂混合物倒入搅拌机中搅拌；搅拌2min之后，再将剩余的水和减水剂混合物加入搅拌机中继续搅拌2min。

步骤三：搅拌纤维：将纤维加入材料中搅拌5min至完全混合均匀即可，其中，纤维采用玄武岩纤维，用以提升抗收缩和抗开裂能力。

整个拌和过程大概耗时10-15min，材料拌和及可打印各项性能测试的环境温度为30±5℃，相对湿度为60±10％。

步骤四：3D打印：将步骤三中搅拌好的材料放入至3D打印机3中，然后通过3D打印机3在垫层块石2的倾斜面上进行打印形成3D打印混凝土护面4。

本发明可以发挥高强、低碳、环境友好的独特优势，在南海岛礁钙质砂地区的防波堤工程中具有良好的应用潜力和前景。本发明将3D打印混凝土技术应用于钙质砂资源的开发利用，用于钙质砂的增材制造，增强钙质砂的物理力学性质，并提升其工程性能；结合纳米材料能改善原材料力学性能的优点，利用3D打印混凝土技术可以得到一种环境友好、美观艺术、作用效果佳的混凝土护面，且力学性能能够保持长期稳定，海水、雨水环境不会对护面带来危害，且3D打印混凝土技术不产生毒副产物，就地利用本土材料，工程所需的成本较使用砂石、沥青等材料更低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印南海岛礁防波堤，包括堤心石(1)，其特征在于，所述堤心石(1)铺设在岛礁地基上，所述堤心石(1)的一侧面倾斜设置用于减缓波浪的冲击，所述堤心石(1)的表面铺设有垫层块石(2)，所述垫层块石(2)的上表面通过3D打印机(3)打印有一层3D打印混凝土护面(4)，所述3D打印混凝土护面(4)原料组分包括：白色硅酸盐水泥600kg/m³、高贝利特硫铝酸盐水泥150kg/m³、膨胀剂50kg/m³、硅灰120kg/m³、钙质砂1200kg/m³、纳米材料80kg/m³、减水剂2.8kg/m³、纤维0.002kg/m³、以及水330kg/m³。

2.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述白色硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥P.O 52.5。

3.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂。

4.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述钙质砂粒径0.18-0.55mm。

5.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述纳米材料为纳米黏土或纳米氧化镁中至少一种，过1000目筛。

6.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸基减水剂。

7.根据权利要求1所述一种3D打印南海岛礁防波堤，其特征在于，所述纤维为玄武岩纤维。

8.一种3D打印混凝土护面材料的制备方法，其特征在于，原料组分包括：白色硅酸盐水泥600kg/m³、高贝利特硫铝酸盐水泥150kg/m³、膨胀剂50kg/m³、硅灰120kg/m³、钙质砂1200kg/m³、纳米材料80kg/m³、减水剂2.8kg/m³、纤维0.002kg/m³、以及水330kg/m³，具体包括以下制备步骤：

步骤一：将白色硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥、膨胀剂、硅灰、钙质砂和纳米材料加入搅拌机中搅拌5min；

步骤二：将一半的水和减水剂混合物倒入搅拌机中搅拌；搅拌2min之后，再将剩余的水和减水剂混合物加入搅拌机中继续搅拌2min；

步骤三：将纤维加入搅拌机中搅拌至完全混合均匀即得。

9.根据权利要求8所述3D打印混凝土护面材料的制备方法，其特征在于，在环境温度为30±5℃，相对湿度为60±10％条件下：

钙质砂的技术指标为

纳米材料为纳米黏土蒙脱石衍生物时的技术指标为

纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为

纳米材料为纳米氧化镁时的技术指标为

减水剂为聚羧酸基减水剂时，聚羧酸基减水剂含固量8％，减水率24％。

10.根据权利要求8所述3D打印混凝土护面材料的制备方法，其特征在于，所述高贝利特硫铝酸盐水泥比表面积、凝结时间和自由膨胀率如下表：

抗压强度如下表：

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