CN115432969A - 用于3d打印的具有固碳能力的生物炭混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土及其制备方法，该生物炭混凝土由按重量份的下列有效成分组成：水泥500‑700份、河砂750‑1050份、粉煤灰15‑21份、调凝剂34‑46份、生物炭0‑14份、聚羧酸减水剂5‑7份、水200‑280份。3D打印混凝土对屈服应力和塑性粘度的要求较高，本申请中添加本生物炭并不会导致混凝土屈服应力和塑性粘度的显著增加，添加生物炭增加了混凝土颗粒表面积，此外，精细的生物炭填充了水泥颗粒之间的间隙，使得系统中存在“过量水”，从而产生润滑效果，保持了混凝土的流动性及屈服应力。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，更具体的说，它涉及一种用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土3D打印技术近年来在建筑领域得到快速的发展。混凝土3D打印技术具有高自动化、经济高效、绿色建造等特点，通过打印系统将混凝土材料进行逐层打印成形，生成3D实体；将3D打印技术合理的应用到建筑领域中，可以提高材料的利用率，减少人工成本，降低生产成本。但3D打印对于材料的要求很高，对于3D打印混凝土而言，需要对混凝土材料的开放时间、流动性、挤出性、可建造性、粘结强度等进行严格的把控。
水泥在生产过程中会产生大量的二氧化碳，对生态环境产生巨大的影响。降低建筑材料的碳排放量并提高建材的碳捕获能力是当前的热点问题。生物炭作为一种绿色材料，将其应用到3D打印混凝土里，可以缩短3D打印混凝土的凝结时间，提升粘结强度，并将二氧化碳以“炭”的形式贮存在结构中，降低大气中的二氧化碳含量。
因此，本发明将生物炭应用于3D打印混凝土材料中，对3D打印混凝土的材料特性带来积极影响。
发明内容
本发明的目的是提供用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土及其制备方法，要解决现有技术混凝土生产过程中因水泥用量过多，排入大气中二氧化碳量过多的技术问题，生物炭作为一种新型绿色环保材料，将其应用于建筑材料领域，对于减少碳排放具有重要意义；还解决现有技术混凝土的开放时间、流动性、强度等不适应3D打印技术的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，该生物炭混凝土由按重量份的下列有效成分组成：水泥500-700份、河砂750-1050份、粉煤灰15-21份、调凝剂34-46份、生物炭0-14份、聚羧酸减水剂5-7份、水200-280份。
进一步优选地，所述生物炭由以下方法制得：
S1：将木屑在65-70℃下干燥48小时，之后通过马弗炉对木屑进行热解，保持加热速率为10℃/min，从室温加热到500℃，并保持60分钟，自然放置冷却至室温，以将产生的生物炭冷却；
S2：将制得的生物炭放入玛瑙球磨机进行干磨，以600转/分的速度顺时针和逆时针旋转研磨5小时，即制得孔径范围为100nm-2μm的所需生物炭。
进一步地，所述河砂为细度模数为2.3-2.8的水洗河砂。
进一步地，水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥。
进一步地，粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰。
进一步地，所述调凝剂为R.SAC42.5级硫铝酸盐水泥。
用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备生物炭；
步骤2：将水和聚羧酸减水剂按重量比例均匀混合形成水溶液；
步骤3：将水泥、砂、粉煤灰、生物炭、调凝剂按照重量比例配料，低速搅拌2分钟；
步骤4：将步骤2制得的水溶液加入步骤3的混合料中，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟形成混合料，用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土制备完成。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本申请研制生物炭具有更细的尺寸和更高的比表面积，其孔径范围在100nm-2μm，通过球磨生物炭使生物炭变成更加不规则的颗粒状，表面大孔消失，内部孔隙结构暴露，增大了生物炭的比表面积，这有助于提高生物炭的吸附能力。
本申请通过木屑经高温在厌氧环境下制作生成生物炭，整个过程不产生二氧化碳，且提高废弃物质木屑利用率，防止木屑焚烧生成的二氧化碳释放到大气中。
本申请使用生物炭替代部分水泥，可以减少水泥用量，进而减少水泥的生产过程产生的二氧化碳，减少二氧化碳排放。
3D打印混凝土对屈服应力和塑性粘度的要求较高，本申请中添加本生物炭并不会导致屈服应力和塑性粘度的显著增加，添加生物炭增加了混凝土颗粒表面积，但是精细的生物炭填充了水泥颗粒之间的间隙，使得系统中存在“过量水”，从而产生润滑效果，保持了混凝土的流动性及屈服应力。
本申请通过掺入细颗粒的生物炭填充砂子和水泥之间的空隙，增加混凝土的堆积密度，生物炭的填充效果和保水能力可以提高混凝土浆体的粘结性，减少泌水，从而缩短凝结时间，适用于3D打印混凝土。
本申请生物炭掺量在2%以内，可以提高混凝土的力学性能。强度的发展对3D打印混凝土至关重要，掺入细颗粒生物炭会使得水泥和骨料界面更加致密，从而提高其早期强度，并对后期强度的发展产生有益的效果，增加3D打印混凝土的使用范围。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
表1各原材料的规格以及生产厂家
| 名称 | 规格 | 生产厂家 |
| 水泥 | P.0.42.5级 | 唐山冀东水泥厂 |
| 粉煤灰 | F类Ⅰ级 | 河北大唐同舟有限公司 |
| 水洗河砂 | 细度模数为2.3-2.8 | 河北涞水润鑫建材有限公司 |
| 硫铝酸盐水泥 | R.SAC42.5级 | 无锡市江淮建材科技有限 |
| 木屑 | 浙江省建德市三都镇帕滑贸易商 | |
| 聚羧酸类减水剂 | 江苏博特新材料有限公司 |
本发明的混凝土的制备过程如下：
步骤一：生物炭的制备方法如下：
S1：将木屑在65-70℃下干燥48小时，通过马弗炉对木屑进行热解，保持加热速率为10℃/min，从室温加热到500℃，并保持60分钟，自然放置冷却至室温，以将产生的生物炭冷却；
S2：将制得的生物炭放入玛瑙球磨机进行干磨，以600转/分的速度顺时针和逆时针旋转研磨5小时，即制得所需生物炭。
步骤二：
将水和聚羧酸减水剂按重量比例均匀混合；将水泥、砂、粉煤灰、生物炭和调凝剂按照重量比例配料，低速搅拌2分钟；将制得的水溶液加入混合料中，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟形成混合料。
以下各实施例一至五中的工艺流程与上述制备过程相同，区别仅在于组分的配比不同。各实施例中各组分的质量配比如表2所示。
表2实施例一至实施例七中各组分的质量如下所示
| 组分（g） | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 | 实施例四 |
| 水泥 | 500 | 550 | 600 | 650 |
| 粉煤灰 | 15 | 16.5 | 18 | 19.5 |
| 水洗河砂 | 750 | 825 | 900 | 975 |
| 硫铝酸盐水泥 | 34 | 37 | 40 | 43 |
| 生物炭 | 0 | 1.5 | 3 | 6.5 |
| 聚羧酸减水剂 | 5 | 5.5 | 6 | 6.5 |
| 水 | 200 | 220 | 240 | 260 |
| 生物炭掺和量（%） | 0 | 0.27 | 0.5 | 1 |
| 组分（g） | 实施例五 | 实施例六 | 实施例七 | - |
| 水泥 | 700 | 700 | 700 | - |
| 粉煤灰 | 21 | 21 | 21 | - |
| 水洗河砂 | 1050 | 1050 | 1050 | - |
| 硫铝酸盐水泥 | 46 | 46 | 46 | - |
| 生物炭 | 14 | 21 | 35 | - |
| 聚羧酸减水剂 | 7 | 7 | 7 | - |
| 水 | 280 | 280 | 280 | - |
| 生物炭掺和量（%） | 2 | 3 | 5 | - |
按上述组分制备得到的实施例一至实施例五中的3D打印混凝土，在打印过程中，开放时间适中，具有良好的流动性，材料可以连续均匀的挤出，并能保持稳定的形态，可用于3D打印混凝土施工。
由以上配比制得的生物炭混凝土的工作性能及力学性能的测试方法均为参照中国工程建设标准化协会标准《混凝土3D打印技术规程》T/CECS 786-2020进行,对于新拌3D打印混凝土，当骨料最大粒径在5mm以下时，流动度在160~220mm之间，凝结时间小于等于90分钟为最佳。
各实施例的测试数据具体如表3、表4所示。
表3实施例一至实施例五的生物炭混凝土的各项性能指标测试如下所示
| 性能测试项目 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 | 实施例四 | 实施例五 |
| 流动度(mm) | 179 | 182 | 181.5 | 184.5 | 177 |
| 初凝时间(min) | 45 | 42 | 40 | 37 | 34 |
| 终凝时间(min) | 95 | 90 | 86 | 82 | 77 |
| 1天抗压强度(MPa) | 28.69 | 41.79 | 39.68 | 42.01 | 39.42 |
| 28天抗压强度(MPa) | 63.27 | 62.31 | 70.25 | 72.69 | 71.57 |
表4实施例一、实施例五至实施例七的生物炭混凝土的抗压强度测试对比如下所
示
| 性能测试项目 | 实施例一 | 实施例五 | 实施例六 | 实施例七 |
| 1天抗压强度（MPa） | 28.69 | 39.42 | 30.21 | 26.53 |
| 28天抗压强度（MPa） | 63.27 | 71.57 | 60.34 | 57.58 |
由表3可以得出，综合以上测试结果，由实施例二至实施例五的配比制得的混凝土1天抗压强度均比实施例一高出10MPa以上，说明掺入生物炭会提高混凝土的早期强度，保证了3D打印过程中对混凝土材料的强度要求；实施例三至实施例五的28天抗压强度均高于实施例一。
由表4可以得出，实施例六的1天抗压强度略高于实施例一但28天抗压强度要略低于实施例一，实施例七的1天抗压强度和28天抗压强度均低于实施例一，当生物炭的掺量超过2%时，会对生物炭混凝土的强度产生负面影响。
实施例一至实施例五的流动度均在180mm左右，说明当生物炭的孔径小于2μm时，对混凝土的流动度并没有较大的影响，保证了3D打印过程中混凝土的流动性和屈服应力；实施例一至实施例五的初凝时间和终凝时间在逐渐降低，说明随着生物炭掺量的增加，混凝土的凝结时间在缩短。
本发明提供用于3D打印的生物炭混凝土，在固定了二氧化碳的基础上，具有3D打印材料所需要的性能，其流动性较好，早期强度发展较快。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，该生物炭混凝土由按重量份的下列有效成分组成：水泥500-700份、河砂750-1050份、粉煤灰15-21份、调凝剂34-46份、生物炭0-14份、聚羧酸减水剂5-7份、水200-280份。
2.如权利要求1所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，所述生物炭由以下方法制得：
S1：将木屑在65-70℃下干燥48小时，之后通过马弗炉对木屑进行热解，保持加热速率为10℃/min，从室温加热到500℃，并保持60分钟，自然放置冷却至室温，以将产生的生物炭冷却；
S2：将制得的生物炭放入玛瑙球磨机进行干磨，以600转/分的速度顺时针和逆时针旋转研磨5小时，即制得孔径范围为100nm-2μm的所需生物炭。
3.如权利要求1所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，所述河砂为细度模数为2.3-2.8的水洗河砂。
4.如权利要求1所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥。
5.如权利要求1所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰。
6.如权利要求1所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土，其特征在于，所述调凝剂为R.SAC42.5级硫铝酸盐水泥。
7.如权利要求1~6任意一项所述的用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备生物炭；
步骤2：将水和聚羧酸减水剂按重量比例均匀混合形成水溶液；
步骤3：将水泥、砂、粉煤灰、生物炭、调凝剂按照重量比例配料，低速搅拌2分钟；
步骤4：将步骤2制得的水溶液加入步骤3的混合料中，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟形成混合料，用于3D打印的具有固碳能力的生物炭混凝土制备完成。
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| CN202211053448.0A Pending CN115432969A (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 用于3d打印的具有固碳能力的生物炭混凝土及其制备方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115432969A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115893958A (zh) * | 2023-01-19 | 2023-04-04 | 南京能娃新型材料科技有限公司 | 一种基于铁矿废渣的高强度水泥砂浆及其制备工艺 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107188478A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-09-22 | 长安大学 | 一种生物炭混凝土 |
| CN108623248A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-10-09 | 中国农业大学 | 一种生物炭改性生态混凝土及其制备方法 |
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-
2022
- 2022-08-30 CN CN202211053448.0A patent/CN115432969A/zh active Pending
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