CN115466090B - 一种利用固体废弃物的水泥基3d打印材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料及其制备方法和应用。本发明中水泥基复合材料具有自密性强，强度高，水灰反应较低等特点，细骨料能增加水泥的粘合和混凝土拌和物的流动性，减水剂可有效改善混凝土的和易性、流动性和强度，增稠剂和触变剂防止流挂现象，纤维增强材料能提升利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的抗折抗压性能和水泥基性，本发明通过将工业固体废弃物与上述原料的进行合理配比，可以有效控制利用固体废弃物的水泥基3D打印材料成形期间的打印性能，提高易和性和安定性，实现对利用工业固体废弃物的水泥基3D打印材料自收缩性的有效控制，得到力学性能优异的3D打印混凝土。

Description

一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料及其制备方法和 应用

技术领域

本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料及其制备方法和应用。

背景技术

3D打印混凝土技术一种将3D打印技术与商品混凝土相结合的新型混凝土无模成型技术。在实际施工作业中，具有较高的可塑性，在成型过程中，不需要额外的支撑，能大大减少建筑成本和建筑时间。因此，3D打印混凝土技术目前在建筑市场中发挥出巨大的潜力。

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的要求，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。但是，目前混凝土3D打印材料的流动性和可塑性不佳，从而导致打印过程中，3D打印材料容易堵塞3D打印机的喷嘴，而且硬化后的混凝土的力学性能不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料及其制备方法和应用，本发明提供的水泥基3D打印材料流动性好，用其制备得到的3D打印混凝土的力学性能优异，而且利用了工业固体废弃物，能节约成本，保护环境。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料60～110份，细骨料80～150份，工业固体废弃物25～50份，减水剂0.2～0.5份，增稠剂0.5～3份，触变剂0.1～1.5份，纤维增强材料0.1～1.5份和水13～27份；

所述水泥基复合材料包括基础水泥、掺杂纤维和水；所述基础水泥为硅酸盐水泥；所述掺杂纤维包括玻璃纤维、有机合成纤维、碳纤维、金属纤维、天然植物纤维和矿物纤维中的一种或几种。

优选的，所述工业固体废弃物包括钢渣、矿渣和粉煤灰中的一种或几种。

优选的，所述减水剂包括萘系减水剂和/或聚羧酸减水剂。

优选的，所述增稠剂包括粉末橡胶。

优选的，所述触变剂包括煅烧凹凸棒石黏土。

优选的，所述纤维增强材料包括聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维。

优选的，所述聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的质量比为(10～75):(10～20)。

本发明还提供了上述技术方案所述水泥基3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：

将水泥基复合材料、细骨料、工业固体废弃物、减水剂、增稠剂、触变剂、纤维增强材料和水混合，得到水泥基3D打印材料。

本发明还提供了上述技术方案所述水泥基3D打印材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料在3D打印混凝土中的应用。

本发明还提供了一种3D打印混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将上述技术方案所述水泥基3D打印材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料进行3D打印，得到3D打印混凝土；

所述3D打印的参数：打印速度为120～140mm/s，打印高度为15mm，喷嘴高度为14mm，单层打印周期为12～15min。

本发明提供了一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：水泥基复合材料60～110份，细骨料80～150份，工业固体废弃物25～50份，减水剂0.2～0.5份，增稠剂0.5～3份，触变剂0.1～1.5份，纤维增强材料0.1～1.5份和水13～27份；所述水泥基复合材料包括基础水泥、掺杂纤维和水；所述基础水泥为硅酸盐水泥；所述掺杂纤维包括玻璃纤维、有机合成纤维、碳纤维、金属纤维、天然植物纤维和矿物纤维中的一种或几种。

本发明中水泥基复合材料具有自密性强，强度高，水灰反应较低等特点，细骨料能增加水泥的粘合以及增加混凝土拌和物的流动性，减水剂可以有效改善混凝土的和易性、流动性，增强混凝土的强度，增稠剂和触变剂能改善水泥基3D打印材料在实施过程中出现的流挂现象，增强材料能有效提升利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的抗折抗压性能，且使利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的水泥基性能更加优异，本发明通过将工业固体废弃物与上述原料的进行合理配比，可以有效控制利用固体废弃物的水泥基3D打印材料成形期间的打印性能，提高易和性和安定性，实现对利用工业固体废弃物的水泥基3D打印材料自收缩性的有效控制，得到力学性能优异的3D打印混凝土。

此外，本发明利用工业固体废弃物生产水泥基3D打印材料的方法简单，节约建筑成本，有利于环境保护。

附图说明

图1为本发明中利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的制备方法和应用流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料60～110份，细骨料80～150份，工业固体废弃物25～50份，减水剂0.2～0.5份，增稠剂0.5～3份，触变剂0.1～1.5份，纤维增强材料0.1～1.5份和水13～27份；

所述水泥基复合材料包括基础水泥、掺杂纤维和水；所述基础水泥为硅酸盐水泥；所述掺杂纤维包括玻璃纤维、有机合成纤维、碳纤维、金属纤维、天然植物纤维和矿物纤维中的一种或几种。

如无特殊说明，本发明对所用原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。

本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括水泥基复合材料60～110份，优选为80～110份。

在本发明中，所述水泥基复合材料包括基础水泥、掺杂纤维和水；所述基础水泥为硅酸盐水泥；所述掺杂纤维包括玻璃纤维、有机合成纤维、碳纤维、金属纤维、天然植物纤维和矿物纤维中的一种或几种，优选为有机合成纤维；所述有机合成纤维优选包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯腈纤维中的一种或几种，更优选为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯腈纤维；当掺杂纤维为多种时，本发明对不同种类增强体的配比没有特殊限定，任意配比均可；所述掺杂纤维的直径优选为450μm，长度优选为31～50mm，更优选为31～40mm；所述掺杂纤维的直径和长度的比值优选为1:(70～110)，更优选为1:(70～90)。

在本发明中，所述基础水泥、掺杂纤维和水的质量比优选为(25～30):0.05:(16～20)，更优选为(25～28):0.05:(16～18)。

本发明中水泥基复合材料具有自密性强，强度高，水灰反应较低等特点。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括细骨料80～150份，更优选为90～120份。

在本发明中，所述细骨料的平均粒径优选为0.05～0.5mm，更优选为0.1～0.4mm；所述细骨料的细度模数优选为2.3～3.0，更优选为2.4～2.8；所述细骨料优选为河沙；所述河沙的成分优选包括石英，所述河沙的直径优选为0.05～0.2mm。

本发明中，细骨料在混凝土中起到骨架或填充作用。细骨料的材料性能会增加水泥的粘合以及增加混凝土拌和物的流动性。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括工业固体废弃物25～50份，更优选为30～40份。

在本发明中，所述工业固体废弃物优选包括钢渣、矿渣和粉煤灰中的一种或几种，更优选为钢渣；当工业固体废弃物为多种时，本发明对不同种类工业固体废弃物的配比没有特殊限定，任意配比均可。

在本发明中，所述工业固体废弃物的比表面积优选为400～580m²/kg，更优选为450～550m²/kg，所述工业固体废弃物的含水率优选＜5％，更优选为1～3％。

本发明利用工业固体废弃物制备混凝土3D打印材料，能减少工业固体废弃物对环境的污染，也可将工业固体废弃物用于再生产，达到固废资源再利用的目的。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括减水剂0.2～0.5份，更优选为0.3～0.4份。

在本发明中，所述减水剂优选包括萘系减水剂和/或聚羧酸减水剂，更优选为聚羧酸减水剂。当减水剂为萘系减水剂和聚羧酸减水剂时，本发明对两者的配比没有特殊限定，任意配比即可。

本发明在混凝土3D打印材料中加入减水剂可以有效改善混凝土的和易性、流动性，增强混凝土的强度，在使得混凝土强度不变的情况下节省水泥的使用量。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括增稠剂0.5～3份，更优选为1～2份。

在本发明中，所述增稠剂优选包括粉末橡胶；所述粉末橡胶的粒径优选为0.05～0.2mm，更优选为0.05～0.1mm。

本发明通过发挥增稠剂的增稠作用，提高水泥基3D打印材料的粘度，在不影响水泥的强度的同时，可以防止流挂现象，节约建筑成本。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括触变剂0.1～1.5份，更优选为1～1.5份。

在本发明中，所述触变剂优选包括煅烧凹凸棒石黏土。

在本发明中，所述煅烧凹凸棒石黏土的制备方法优选为将所述凹凸棒石原矿依次进行筛分、干燥、煅烧、破碎、分级、磨粉和分选，得到凹凸棒石黏土。

在本发明中，所述煅烧凹凸棒石黏土的粒径优选为0.075～0.15mm，更优选为0.08～0.12mm；所述筛分的设备优选为振动筛；本发明对所述干燥的过程没有特殊限定，采用本领域熟知的干燥过程即可；所述煅烧的温度优选为600～900℃，更优选为700～800℃；所述煅烧的时间优选为1～3h，更优选为1～2h；本发明对所述破碎的过程没有特殊限定，采用本领域熟知的破碎过程即可；所述分级的设备优选为空气分级机；所述分选的设备优选为选粉机。本发明通过空气分级机将不易磨碎的石英等杂质分离丢弃。

本发明通过在水泥基3D打印材料中添加触变剂，有效改善其在施工过程中出现的流挂现象。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括纤维增强材料0.1～1.5份，更优选为0.5～1份。

在本发明中，所述纤维增强材料优选包括聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维；所述聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的质量比优选为(10～75):(10～20)，更优选为(15～50):(10～15)；所述聚乙烯醇纤维的直径和长度的比值优选为1:1.25；所述玄武岩纤维的直径和长度的比值优选为1:1.25。

本发明通过纤维增强材料有效提升了利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的抗折抗压性能，且使利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的水泥基性能更加优异。

以所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料中水泥基复合材料的1质量份数为基准，本发明提供的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料包括水13～27份，更优选为15～20份。

本发明还提供了上述技术方案所述利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：

将水泥基复合材料、细骨料、工业固体废弃物、减水剂、增稠剂、触变剂、纤维增强材料和水混合，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

在本发明中，所述混合的过程优选为将减水剂、增稠剂、触变剂、纤维增强材料和水混合，得到混合液；将水泥基复合材料和细骨料混合，再加入所述混合液，进行第一搅拌，得到粘性浆体；将工业固体废弃物分散到所述粘性浆体中进行第二搅拌，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

在本发明中，所述第一搅拌和第二搅拌的速率独立优选为50～70r/min，更优选为60r/min；所述第一搅拌和第二搅拌的时间独立优选为3～5min，更优选为4min。

本发明还提供了上述技术方案所述水泥基3D打印材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料在3D打印混凝土中的应用。

本发明还提供了一种3D打印混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将上述技术方案所述水泥基3D打印材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料进行3D打印，得到3D打印混凝土；

所述3D打印的参数：打印速度为120～140mm/s，打印高度为15mm，喷嘴高度为14mm，单层打印周期为12～15min。

在本发明中，所述3D打印的参数：打印速度为120～140mm/s，优选为130mm/s，打印高度为15mm，喷嘴高度为14mm，单层打印周期为12～15min，优选为13min。

图1为本发明中利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的制备方法和应用流程图。由图1所示，本发明将水泥基复合材料、细骨料、工业固体废弃物、减水剂、增稠剂、触变剂、纤维增强材料和水混合均匀后，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，然后通过3D打印，得到混凝土预制件。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料80份(硅酸盐水泥、聚丙烯纤维增强体(长度为40mm，直径为450μm，长径比为89)和水，质量比为28:0.05:18)，细骨料100份(表面烘干的河沙，平均粒径为0.4mm，细度模数为2.5)，钢渣40份(依次烘干、破碎和除铁后的钢渣，粒度D90为30μm，含铁量为3.0％，比表面积为520m²/kg，含水率为2％)，聚羧酸减水剂0.4份，粉末橡胶1份(粒径为0.1mm)，煅烧凹凸棒石黏土1.5份(粒径为0.1mm)，增强材料1份(质量比为50:15的聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维，聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的直径和长度的比值分别为1:1.25)，水18份；

煅烧凹凸棒石黏土的制备方法为：将凹凸棒石原矿用振动筛筛分后，进行干燥，然后在750℃下进行煅烧1h后，破碎然后用空气分级机进行分级后，磨粉后用选粉机进行分选，得到凹凸棒石黏土；

将奈系减水剂、粉末橡胶、煅烧凹凸棒石黏土、增强材料和水混合，得到混合液；将水泥基复合材料和细骨料混合，再加入所述混合液，以60r/min搅拌4min，得到粘性浆体；将钢渣分散到所述粘性浆体中，以60r/min搅拌4min，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

实施例2

利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料90份(硅酸盐水泥、聚丙烯纤维增强体(长度为40mm，直径为450μm，长径比为89)和水，质量比为28:0.05:18)，细骨料100份(表面烘干的河沙，平均粒径为0.4mm，细度模数为2.5)，钢渣40份(依次烘干、破碎和除铁后的钢渣，粒度D90为30μm，含铁量为3.0％，比表面积为520m²/kg，含水率为2％)，聚羧酸减水剂0.4份，粉末橡胶1份(粒径为0.1mm)，煅烧凹凸棒石黏土1.5份(粒径为0.1mm，制备方法与实施例1一致)，增强材料1份(质量比为50:15的聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维，聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的直径和长度的比值分别为1:1.25)，水18份；

将奈系减水剂、粉末橡胶、煅烧凹凸棒石黏土、增强材料和水混合，得到混合液；将水泥基复合材料和细骨料混合，再加入所述混合液，以60r/min搅拌4min，得到粘性浆体；将钢渣分散到所述粘性浆体中，以60r/min搅拌4min，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

实施例3

利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料100份(硅酸盐水泥、聚丙烯纤维增强体(长度为40mm，直径为450μm，长径比为89)和水，质量比为28:0.05:18)，细骨料100份(表面烘干的河沙，平均粒径为0.4mm，细度模数为2.5)，钢渣40份(依次烘干、破碎和除铁后的钢渣，粒度D90为30μm，含铁量为3.0％，比表面积为520m²/kg，含水率为2％)，聚羧酸减水剂0.4份，粉末橡胶1份(粒径为0.1mm)，煅烧凹凸棒石黏土1.5份(粒径为0.1mm，制备方法与实施例1一致)，增强材料1份(质量比为50:15的聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维，聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的直径和长度的比值分别为1:1.25)，水18份；

将奈系减水剂、粉末橡胶、煅烧凹凸棒石黏土、增强材料和水混合，得到混合液；将水泥基复合材料和细骨料混合，再加入所述混合液，以60r/min搅拌4min，得到粘性浆体；将钢渣分散到所述粘性浆体中，以60r/min搅拌4min，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

实施例4

利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料110份(硅酸盐水泥、聚丙烯纤维增强体(长度为40mm，直径为450μm，长径比为89)和水，质量比为28:0.05:18)，细骨料100份(表面烘干的河沙，平均粒径为0.4mm，细度模数为2.5)，钢渣40份(依次烘干、破碎和除铁后的钢渣，粒度D90为30μm，含铁量为3.0％，比表面积为520m²/kg，含水率为2％)，聚羧酸减水剂0.4份，粉末橡胶1份(粒径为0.1mm)，煅烧凹凸棒石黏土1.5份(粒径为0.1mm，制备方法与实施例1一致)，增强材料1份(质量比为50:15的聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维，聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的直径和长度的比值分别为1:1.25)，水18份；

将奈系减水剂、粉末橡胶、煅烧凹凸棒石黏土、增强材料和水混合，得到混合液；将水泥基复合材料和细骨料混合，再加入所述混合液，以60r/min搅拌4min，得到粘性浆体；将钢渣分散到所述粘性浆体中，以60r/min搅拌4min，得到利用固体废弃物的水泥基3D打印材料。

应用例1～4

将实施例1～4得到的利用固体废弃物的水泥基3D打印材料分别进行3D打印，所述3D打印的参数：打印速度为130mm/s，打印高度为15mm，喷嘴高度为14mm，单层打印周期为13min，得到混凝土坯体，然后将混凝土预制件在置于35℃条件下进行养护28d，得到混凝土预制件。

性能测试

(1)对应用例1～4得到的混凝土预制件的强度进行测试，结果如表1所示。

表1应用例1～4得到的混凝土预制件的强度

应用例	3d抗压强度(MPa)	7d抗压强度(MPa)	28d抗压强度(MPa)
				1	13.8	23.4	38.4
2	25.3	35.5	59.7
				3	25.1	33.6	59.1
4	24.8	33.8	58.3

由表1可知，本发明利用固体废弃物制备的水泥基3D打印材料通过3D打印得到的混凝土预制件的28d抗压强度可达59.7MPa，具有优异的力学性能。

(2)对应用例1～4中利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的流动度进行测定，结果如表2所示。

表2应用例1～4中利用固体废弃物的水泥基3D打印材料的流动性

应用例	流动度(mm)
		1	174
2	168
		3	161
4	153

由表2可知，本发明利用固体废弃物制备的水泥基3D打印材料的流动度达到174mm，具有良好的流动性，不易堵塞3D打印机喷嘴。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种利用固体废弃物的水泥基3D打印材料，其特征在于，包括以下质量份数的组分：

水泥基复合材料80～110份，细骨料100份，工业固体废弃物40份，减水剂0.4份，增稠剂1份，触变剂1.5份，纤维增强材料1份和水18份；

所述水泥基复合材料包括基础水泥、掺杂纤维和水；所述基础水泥为硅酸盐水泥；所述掺杂纤维为聚丙烯纤维；所述基础水泥、掺杂纤维和水的质量比为28:0.05:18；所述掺杂纤维的直径为450μm，长度为40mm；所述掺杂纤维的直径和长度的比值为1:89；

所述细骨料为河沙；所述河沙的平均粒径为0.4mm；所述河沙的细度模数为2.5；

所述工业固体废弃物为钢渣，钢渣的粒度D90为30μm，含铁量为3.0％，比表面积为520m²/kg，含水率为2％；

所述减水剂为聚羧酸减水剂；

所述增稠剂包括粉末橡胶；所述粉末橡胶的粒径为0.1mm；

所述触变剂包括煅烧凹凸棒石黏土；所述煅烧凹凸棒石黏土的粒径为0.1mm；

所述纤维增强材料包括聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维；所述聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的质量比为50:15；所述聚乙烯醇纤维的直径和长度的比值为1:1.25；所述玄武岩纤维的直径和长度的比值为1:1.25。

2.权利要求1所述的水泥基3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：

将水泥基复合材料、细骨料、工业固体废弃物、减水剂、增稠剂、触变剂、纤维增强材料和水混合，得到水泥基3D打印材料。

3.权利要求1所述水泥基3D打印材料或权利要求2所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料在3D打印混凝土中的应用。

4.一种3D打印混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将权利要求1所述的水泥基3D打印材料或权利要求2所述制备方法制备得到的水泥基3D打印材料进行3D打印，得到3D打印混凝土；

所述3D打印的参数：打印速度为120～140mm/s，打印高度为15mm，喷嘴高度为14mm，单层打印周期为12～15min。