CN114773010A

CN114773010A - 一种用于3d打印的钢渣复合材料、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN114773010A
Application number: CN202210414456.7A
Authority: CN
Inventors: 陈佳佳; 马义和
Original assignee: Yingchuang New Material Suzhou Co ltd
Current assignee: Yingchuang New Material Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-07-22

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的钢渣复合材料、制备方法及其应用，涉及土木工程材料技术领域。本发明公开的用于3D打印的钢渣复合材料包括固体成分和液体成分，其中，固体成分包括钢渣等。本发明以钢渣及钢渣粉大掺量加入到3D打印建筑材料中进行打印建筑物，钢渣粉取代了水泥胶凝材料，钢渣取代了细骨料，一方面保证了固废的综合资源化利用，大大减少了建筑成本，也减少了对江河沙子的开采，减少了对环境的破坏，另一方面可以大大消耗国内的钢渣库存，减少了企业对钢渣的维护等费用，变废为宝，转成本为增值效益，可以为企业创造利润、创造价值。

Description

一种用于3D打印的钢渣复合材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及土木工程材料技术领域，具体而言，涉及一种用于3D打印的钢渣复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

钢铁的产量代表一个国家的工业发展水平，1996年以前世界领先的钢铁产量国依次是英国、美国、苏联、日本。1996年至今，中国的钢铁产量已经连续24年世界第一，目前中国的粗钢产能过亿且是历史上占比达50％的唯一国家，我国钢铁引领世界的时间跨度将超过英、美，可能达百年时间。钢厂所产生的钢渣以随意填埋为主，少量综合利用，长期将大量钢渣违法倾倒，带来严重生态环境隐患。

钢渣是冶金工业中产生的废渣，工业固废之一，其产生率为粗钢产量的8％～15％，2012年全世界排钢渣量约1.8亿t。中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速递增，因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。国家“十一五”发展规划中指出，钢渣的综合利用率应达86％以上，基本实现“零排放”。然而，中国目前综合利用的现状与该规划相差甚远，尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣的利用率仅为10％～20％。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于3D打印的钢渣复合材料、制备方法及其应用。本发明提供用于3D打印的钢渣复合材以钢渣及钢渣粉大掺量加入到3D打印建筑材料中进行打印建筑物，钢渣粉取代了水泥胶凝材料，钢渣取代了细骨料，一方面保证了固废的综合资源化利用，大大减少了建筑成本，也减少了对江河沙子的开采，减少了对环境的破坏，另一方面可以大大消耗国内的钢渣库存，减少了企业对钢渣的维护等费用，变废为宝，转成本为增值效益，可以为企业创造利润、创造价值。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种用于3D打印的钢渣复合材料，其原料包括：固体成分和液体成分；

其中，所述固体成分包括：灰水泥、磨细钢渣粉、钢渣、HPMC纤维素、淀粉醚、胶粉、以及耐碱短切纤维/PP纤维；

所述液体成分包括：减水剂和水。

灰水泥：作为粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。

磨细钢渣粉：由大颗粒的钢渣研磨成粉制成，磨细钢渣粉的粒径在30μm以下，带有活性成分，可以替代部分胶凝材料；其作为混凝土的活性矿物掺合料，由于钢渣微粉的比表面积大，活性好，可与熟料粉混合配制水泥，同时可以作为外加剂替代水泥直接掺入混凝土中，生产性能优越的高性能混凝土，降低水泥和混凝土的成本，为制备绿色高性能混凝土提供了一条有效地途径，实现钢渣资源化合高价值化的综合利用。

钢渣：粒径在0.25mm-3mm范围内，可以取代传统砂子等细骨料，在混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料。

通过粉碎机粉碎磨细加工，使工业废渣的活性提高并作为一种混凝土用掺合料和细骨料进入3D打印混凝土中，其在3D打印材料中综合利用率达90-95％。首先，可进行粉碎制沙处理，将粗颗粒的钢渣破碎进行粉碎成3mm以下的细颗粒，或者再添加其他材料细磨加工成钢渣粉，钢渣粉不仅使渣粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的f-CaO进一步水化以提高渣粉稳定性，还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能，提升钢渣胶凝性。利用钢渣微粉与高炉矿粉相互间的激发性，加以适当的激发剂可配制出高性能的混凝土胶凝材料。

f-CaO和f-MgO在材料中是不利因素，因为遇水会产生化学反应，出现膨胀的情况，现将钢渣其磨细后，由于水泥反应是收缩，磨细后的钢渣粉比表面积大，在产品中是均匀分布，故其反应时是均匀微膨胀，刚好与水泥收缩应力相互抵消。

HPMC纤维素：提高水泥和砂的分散性，大幅度改善砂浆的可塑性和保水性。作为水泥砂浆的保水剂、缓凝剂使砂浆具有泵送性。羟丙基甲基纤维素HPMC的保水性能使浆料在输出后不会因干得太快而龟裂，增强硬化后强度。

淀粉醚：具有非常好的快速增稠能力，中等粘度，有较高的保水性，用量小，极低的添加量即能达到很高的效果；提高材料自身的抗下垂能力，有很好的润滑性，能改善材料的操作性能，使操作更滑爽。

胶粉：提高粘合力、抗折强度、塑性、耐磨性以及材料的施工性能，并且对材料的流动性、触变性以及保水性等没有任何不利影响。因此，她与各种为达到特殊性能的砂浆添加剂有很好的相容性。

耐碱短切纤维/PP纤维：即耐碱玻璃纤维，又称AR玻璃纤维，耐碱性好，能有效抵抗水泥中高碱物质的侵蚀，握裹力强，弹性模量、抗冲击、抗拉、抗弯强度极高，不燃、抗冻、耐温度、湿度变化能力强，抗裂、抗渗性能卓越，具有可设计性强，易成型等特点，是广泛应用在高性能增强(水泥)混凝土中的一种新型的绿色环保型增强材料。

减水剂：在维持混凝土坍落度不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂。加入混凝土拌合物后对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性。水：钢渣复合材料的强度与综合性能的发挥靠水来实现，水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化反应而变成水化物，由这些水化物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石的结构，导致产生强度。

目前，通过大掺量利用钢渣进行3D建筑物的打印工作，也取得一定的成果，从小型的构件到大型的房屋都能看到进行钢渣充分利用的价值，大大减少了企业的生产成本，提高了产品的附加值。

本发明提供的用于3D打印的钢渣复合材以钢渣及钢渣粉大掺量加入到3D打印建筑材料中进行打印建筑物，钢渣粉取代了水泥胶凝材料，钢渣取代了细骨料，一方面保证了固废的综合资源化利用，大大减少了建筑成本，也减少了对江河沙子的开采，减少了对环境的破坏，另一方面可以大大消耗国内的钢渣库存，减少了企业对钢渣的维护等费用，变废为宝，转成本为增值效益，可以为企业创造利润、创造价值。

可选地，在本发明的一些实施方案中，减水剂为聚羧酸高效减水剂。

可选地，在本发明的一些实施方案中，按重量百分比计，所述固体成分包括：5％-20％灰水泥、20％-35％磨细钢渣粉、0-4％硅灰、0-11％粉煤灰、0-15％矿粉、50％-60％钢渣、0.02％-0.06％HPMC纤维素、0.01％-0.05％淀粉醚、0-2％早强剂、0.01％-0.05％胶粉、0-0.02％PVC聚乙烯醇、以及0.05％-0.2％耐碱短切纤维。

硅灰：微硅粉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。在水泥基的砼、砂浆与耐火材料浇注料中，掺入适量的硅灰，显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。具有保水、防止离析、泌水、大幅降低砼泵送阻力的作用。微硅粉的平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，可以填充在水泥颗粒空隙之间，提高混凝土强度和耐久性。

粉煤灰：掺加粉煤灰代替部分水泥和细骨料；降低成本，减少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增强混凝土的可泵性。

矿粉：是用水淬高炉矿渣，经干燥，粉磨等工艺处理后得到的高细度，高活性粉料，是优质的混凝土掺合料和水泥混合材，是当今世界公认的配制高性能混凝土的重要材料。通过使用粒化高炉矿渣粉，可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本。同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。

早强剂：是一种以无机盐为主要成份的化学改性复合砼(混凝土)早强剂，在正负5摄氏度以内可取代防冻剂，具有早强，减水，防冻，增强塑化等功能。加入早强剂，其3到7天强度可以提升50％-200％。

可选地，在本发明的一些实施方案中，按重量百分比计，所述液体成分包括：0.2％-2％减水剂、0-0.25％丙稀酸乳液、以及96.5％-98.8％水。

丙稀酸乳液：聚合物乳液在拌和物中的润滑作用显著降低水灰比，也就是毛细管定隙体积的减少聚合物乳液在环境条件下，凝聚聚盖在水泥凝胶体和骨料颗粒表面，并使水泥和骨料基本形成强有力的粘结，聚合物网络阻止混凝土微裂缝生长的能力等。

可选地，在本发明的一些实施方案中，按重量份计，所述钢渣复合材料包括2000-2200份所述固体成分以及290-320份液体成分。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述固体成分包括：19.78％灰水泥、19.78％磨细钢渣粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01％胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述固体成分包括：4.95％灰水泥、34.62％磨细钢渣粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01％胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述固体成分包括：12.54％灰水泥22.19％磨细钢渣粉、2.41％硅灰、1.35％粉煤灰、1.06％矿粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

可选地，在本发明的一些实施方案中，所述液体成分包括：0.2减水剂、1.5％丙稀酸乳液、以及98.31％水。

第二方面，本发明提供如上任一项所述的钢渣复合材料的制备方法，其包括：将所述固体成分和所述液体成分混合。

第三方面，本发明提供如上任一项所述的钢渣复合材料在3D打印建筑物中的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1复合材料打印出的双曲面房屋的照片。

图2为实施例1复合材料打印出的蛋蛋屋的照片。

图3为实施例1复合材料打印出的C型房屋的照片。

图4为实施例1复合材料打印出的曲面房屋的照片。

图5为实施例1复合材料打印出的座凳的照片。

图6为实施例1复合材料打印出的异型座凳的照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的用于3D打印的钢渣复合材料，其原料配比如下：

钢渣复合材料的制备方法如下：

取上述固定组分的各项材料混合搅拌3-5分钟，加入液体成分搅拌5-8分钟，搅拌均匀即可用于3D打印。

实施例2

制备方法同实施例1。

实施例3

制备方法同实施例1。

实施例4

实施例1提供的钢渣复合材料在打印建筑物中的应用：

根据预设的形状，用实施例1的材料使用3D打印机打印建筑物，打印出的建筑图照片如图1-图6所示。

采用实施例1的钢渣复合材料相较于现有技术在经济成本上的比较如下表1所示，即用钢渣粉代替现有技术的水泥掺合料成分，用钢渣代替沙子，其他成分相同：

表1

表2

检测方法参考：Q31/0116000628C005-2018《建筑用3D打印油墨》、GB/T 28627- 2012《抹灰石膏》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50082- 2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》、GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》。

由实施例1打印的建筑物的技术效果见表2，可以看出，使用实施例1复合材料打印出的建筑物，抗压强度在40Mpa以上，劈裂抗拉强度在3Mpa以上，抗折强度在5Mpa以上，其他各项检测指标也均为合格。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种用于3D打印的钢渣复合材料，其特征在于，其原料包括：固体成分和液体成分；

其中，所述固体成分包括：灰水泥、磨细钢渣粉、钢渣、HPMC纤维素、淀粉醚、胶粉、以及纤维材料；所述纤维材料选自耐碱短切纤维和PP纤维中的一种或两种的组合；

所述液体成分包括：减水剂和水。

2.根据权利要求1所述的钢渣复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述固体成分包括：5％-20％灰水泥、20％-35％磨细钢渣粉、0-4％硅灰、0-11％粉煤灰、0-15％矿粉、50％-60％钢渣、0.02％-0.06％HPMC纤维素、0.01％-0.05％淀粉醚、0-2％早强剂、0.01％-0.05％胶粉、0-0.02％PVC聚乙烯醇、以及0.05％-0.2％耐碱短切纤维。

3.根据权利要求2所述的钢渣复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述液体成分包括：0.2％-2％减水剂、0-0.25％丙稀酸乳液、以及96.5％-98.8％水。

4.根据权利要求3所述的钢渣复合材料，其特征在于，按重量份计，所述钢渣复合材料包括2000-2200份所述固体成分以及290-320份液体成分。

5.根据权利要求4所述的钢渣复合材料，其特征在于，所述固体成分包括：19.78％灰水泥、19.78％磨细钢渣粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01％胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

6.根据权利要求4所述的钢渣复合材料，其特征在于，所述固体成分包括：4.95％灰水泥、34.62％磨细钢渣粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01％胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

7.根据权利要求4所述的钢渣复合材料，其特征在于，12.54％灰水泥22.19％磨细钢渣粉、2.41％硅灰、1.35％粉煤灰、1.06％矿粉、59.34％钢渣、0.02％HPMC纤维素、0.01％淀粉醚、0.96％早强剂、0.01胶粉、0.01％PVC聚乙烯醇、以及0.07％耐碱短切纤维。

8.根据权利要求5-7任一项所述的钢渣复合材料，其特征在于，所述液体成分包括：0.2减水剂、1.5％丙稀酸乳液、以及98.31％水。

9.如权利要求1-8任一项所述的钢渣复合材料的制备方法，其包括：将所述固体成分和所述液体成分混合。

10.如权利要求1-8任一项所述的钢渣复合材料在3D打印建筑物中的应用。