CN115872703A - 一种用改性橡胶粉制备的3d打印轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域,特别涉及一种用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土及其制备方法。该3D打印轻质混凝土包括以下组分:水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、蜂窝陶瓷颗粒、纤维、消泡剂、速凝剂、减水剂、增稠剂、引气剂以及水;所述改性橡胶粉是由混合物M加入活化剂溶液中加热处理、并烘干处理而制得,其中,所述混合物M为橡胶粉与表面改性剂溶液的混合物。本发明将废弃橡胶轮胎、废弃蜂窝陶瓷资源化应用于3D打印轻质混凝土中,在节约成本和资源、保护环境的同时,保障所提供的3D打印轻质混凝土具有良好的流动性、可挤出性、建造性以及耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域,特别涉及一种用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
3D打印轻质混凝土技术是将3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新型应用技术,其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息,然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置,按照设定好的程序,通过机械控制,由喷嘴挤出进行打印,最后得到混凝土构件。
随着全球橡胶工业,特别是汽车工业的迅速发展,造成了大量废弃橡胶和废弃处理汽车尾气的蜂窝陶瓷堆积,包括废旧轮胎、胶管、胶带、胶鞋等,其中,以废旧轮胎的数量为最多。然而,由于废橡胶制品具有交联网络结构,不熔、不溶,因此不易降解。若采用填埋处理,对环境污染较大;直接焚烧,又会产生大量的有毒气体,带来大气污染。废橡胶被当今世界认为是“黑色污染源”。
因此,需要一种新技术将废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷进行资源化利用,将其应用于3D打印轻质混凝土中,解决废弃橡胶、废弃蜂窝陶瓷废弃浪费和造成污染的问题,从而有利于节约资源和保护环境。如何将废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷应用于3D打印轻质混凝土,并保障制得的3D打印轻质混凝土的抗压强度、流动性、可挤出性和建造性等性能要求,是如今迫切需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题,本发明提供一种用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其技术方案如下:
该用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其包括以下组分:水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、蜂窝陶瓷颗粒、纤维、消泡剂、速凝剂、减水剂、增稠剂、引气剂以及水;所述改性橡胶粉是由混合物M加入活化剂溶液中加热处理、并烘干处理而制得,其中,所述混合物M为橡胶粉与表面改性剂溶液的混合物。
在一些实施例中,所述橡胶粉与所述表面改性剂溶液的质量比为1:(8~14),所述表面改性剂溶液的质量百分浓度为5%~10%;所述活化剂溶液与混合物M的质量比为1:(1.0~1.6);所述活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,所述硅酸钠与氨水的质量比为1:(7~10),其中,所述氨水的质量百分浓度为(20~30)%。
在一些实施例中,所述表面改性剂包括铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或几种组合。
在一些实施例中,所述橡胶粉先与表面改性剂溶液在30℃~50℃下混合均匀形成所述混合物M;将所述混合物M加入活化剂溶液中,于50℃~60℃下加热处理20~36h形成混合物N,将混合物N过滤烘干制得所述改性橡胶粉。
在一些实施例中,所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg,且其密度<2.13g/cm3;所述蜂窝陶瓷颗粒的粒径≤5mm,且其密度为0.5~1.0g/cm3。
在一些实施例中,按重量份数计,其组分包括:水泥100~300份,矿物掺合料60~100份,改性橡胶粉50~120份,蜂窝陶瓷颗粒300~500份,纤维2.0~6.0份,消泡剂1.0~7.0份,速凝剂2.0~6.0份,减水剂4.0~10份,增稠剂2.0~12份,引气剂1.0~4.0份以及水112~224份。
在一些实施例中,按重量份数计,其组分包括:水泥120~290份,矿物掺合料60~90份,改性橡胶粉50~110份,蜂窝陶瓷颗粒320~470份,纤维3.2~4.6份,消泡剂2.4~6.4份,速凝剂3.2~5.4份,减水剂5.6~9.2份,增稠剂3.2~11.4份,引气剂1.4~3.6份,以及水121~211份。
在一些实施例中,所述水泥包括P·O42.5水泥、P·O42.5R水泥、PC 42.5复合硅酸盐水泥、SAC42.5硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或几种组合;所述矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉中的一种或几种组合;所述纤维包括聚丙烯纤维、玄武岩纤维、植物纤维中的一种或几种组合;所述消泡剂包括氯乙烷、甲苯、聚硅氧烷聚醚、聚合环氧丙烷中的一种或几种组合。
在一些实施例中,所述速凝剂包括碳酸钠、石灰、硅酸钠中的一种或几种组合;所述减水剂为聚羧酸减水剂,其减水率≥30%;所述增稠剂包括无机增稠剂、木质纤维素类增稠剂、醚类增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂中的至少一种;所述引气剂包括烷基和烷基芳烃磺酸类、皂苷类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、蛋白质盐中的至少一种。
本发明还提供一种如上所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土的制备方法,其包括以下制备步骤:
称取水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维,并将水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维混合均匀,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入水,混合均匀得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、消泡剂、引气剂、减水剂和增稠剂,混合均匀得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒混合均匀,制得所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土。
与现有的技术相比,本发明具有以下技术效果:
本发明利用改性橡胶粉制备3D打印轻质混凝土,将废弃橡胶轮胎、废弃蜂窝陶瓷资源化利用与3D打印智能建造相结合,一方面降低了3D打印轻质混凝土的成本,另一方面,对废物进行再利用,节约资源,保护环境;并且,将废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷应用于3D打印轻质混凝土的同时,还能提高混凝土的抗压性能,保障3D打印轻质混凝土具有良好的流动性、可挤出性、建造性以及耐久性。
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,下面将结合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。
本发明提供一种用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土的制备方法,其包括以下制备步骤:
(1)称取水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维,并将水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维混合均匀,得到第一混合物;
(2)向所述第一混合物中加入水,混合均匀得到第二混合物;
(3)向所述第二混合物中加入速凝剂、消泡剂、引气剂、减水剂和增稠剂,混合均匀得到第三混合物;
(4)向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒混合均匀,制得所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土。其中,各混合物混合采用搅拌混合,搅拌时间为2mi n~6mi n,搅拌转速为500~1000rpm。
其中,混凝土配方为:按重量份数计,其组分包括:水泥100~300份,矿物掺合料60~100份,改性橡胶粉50~120份,蜂窝陶瓷颗粒300~500份,纤维2.0~6.0份,消泡剂1.0~7.0份,速凝剂2.0~6.0份,减水剂4.0~10份,增稠剂2.0~12份,引气剂1.0~4.0份以及水112~224份。
优选地,其组分包括:水泥120~290份,矿物掺合料60~90份,改性橡胶粉50~110份,蜂窝陶瓷颗粒320~470份,纤维3.2~4.6份,消泡剂2.4~6.4份,速凝剂3.2~5.4份,减水剂5.6~9.2份,增稠剂3.2~11.4份,引气剂1.4~3.6份,以及水121~211份。
本发明还提供所述改性橡胶粉的制备方法的优选实施方式,其具体步骤如下:
将橡胶粉加入表面改性剂溶液并置于30℃~50℃下搅拌,搅拌均匀后得到混合物M,然后置于将混合物M于活化剂溶液中50℃~60℃下加热20~36h,制得混合物N;最后,将所述混合物N固体过滤烘干,得到改性橡胶粉。
其中,所述橡胶粉与所述表面改性剂溶液的质量比为1:(8~14),所述表面改性剂溶液的质量百分浓度为5%~10%;所述活化剂溶液与所述混合物M的质量比为1:(1.0~1.6)。优选地,所述活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,所述硅酸钠与所述氨水的质量比为1:(7~10),所述氨水的质量百分浓度为(20~30)%。所述表面改性剂可优选铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或几种组合。
优选地,对过滤烘干后的改性橡胶粉进行粉磨处理,以获得比表面积>420m2/kg,且其密度<2.13g/cm3的改性橡胶粉。
对于原料组分选择:
优选地,所用橡胶粉为将废弃轮胎粉碎后获得的橡胶粉。
优选地,所述蜂窝陶瓷颗粒来源于破碎后的废弃汽车尾气处理用的蜂窝陶瓷材料。进一步地,优选粒径≤5mm,且其密度为0.5~1.0g/cm3的蜂窝陶瓷颗粒。
所述水泥可优选P·O42.5水泥、P·O42.5R水泥、PC 42.5复合硅酸盐水泥、SAC42.5硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或几种组合;所述矿物掺合料可优选粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉中的一种或几种组合;所述纤维可优选聚丙烯纤维、玄武岩纤维、植物纤维中的一种或几种组合;所述消泡剂可优选氯乙烷、甲苯、聚硅氧烷聚醚、聚合环氧丙烷中的一种或几种组合。所述速凝剂可优选碳酸钠、石灰、硅酸钠中的一种或几种组合;所述减水剂可优选聚羧酸减水剂,其减水率≥30%;所述增稠剂可优选无机增稠剂、木质纤维素类增稠剂、醚类增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂中的至少一种;所述引气剂可优选烷基和烷基芳烃磺酸类、皂苷类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、蛋白质盐中的至少一种。
本发明还提供如下实施例和对比例:
本发明还提供如表1所示的实施例和对比例的配方(单位:重量份):
表1
具体实施例和对比例制备过程如下:
实施例1
3D打印轻质混凝土的配方为:
按重量份数计,包括以下组分:水泥205份;矿物掺合料75份;改性橡胶粉:50份;蜂窝陶瓷颗粒:495份;纤维:3.9份;消泡剂4.4份;速凝剂:4.3份;减水剂:7.4份,增稠剂7.3份;引气剂:2.5份;水115份。
其中,所用水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥与SAC42.5硫铝酸盐水泥混合物(质量比例为2:5)。所用矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰。所用细集料为蜂窝陶瓷颗粒,蜂窝陶瓷粒径≤5mm,密度为0.60g/cm3。所用减水剂为聚羧酸减水剂,减水率为35%。所用纤维为聚丙烯纤维,纤维长度为6~9mm。所用速凝剂为碳酸钠、石灰、硅酸钠按1:1:0.5质量比例混合成的混合物。所述增稠剂为木质纤维素类增稠剂,所述消泡剂为聚硅氧烷聚醚类消泡剂,所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类引气剂引气剂。
改性橡胶粉的制备过程为:
所用改性橡胶粉是将废弃轮胎先通过粉碎,然后按照质量比1:10加入到浓度为10%的表面改性剂溶液中,并置于30-50℃下搅拌,搅拌均匀后得到混合物M;然后按照质量比1:1,将混合物M放置于活化剂溶液中在54℃下加热24h,最后将所述混合物固体过滤烘干粉磨后,得到改性橡胶粉,所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg、密度<2.13g/cm3。
其中,表面改性剂为硅烷偶联剂,活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,其质量比例为1:7,氨水浓度为25%。
3D打印轻质混凝土的制备过程为:
将上述比例的水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、纤维搅拌均匀1mi n,搅拌速率为500rpm,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入145份水,搅拌均匀2mi n,搅拌速率为800rpm,得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、消泡剂、引气剂、减水剂和增稠剂搅拌均匀2min,搅拌速率为500rpm,得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒搅拌3mi n均匀,搅拌速率为800rpm,最终制得3D打印轻质混凝土。
实施例2
3D打印轻质混凝土的配方为:
按重量份数计,包括以下组分:水泥205份;矿物掺合料75份;改性橡胶粉:75份;蜂窝陶瓷颗粒:465份;纤维:3.9份;抗裂剂4.4份;消泡剂:4.3份;减水剂:7.4份,增稠剂7.3份;引气剂:2.5份;水123份。
其中,所用水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥与SAC42.5硫铝酸盐水泥混合物(质量比例为2:5)。所用矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰。所用细集料为蜂窝陶瓷颗粒,蜂窝陶瓷粒径≤5mm,密度为0.60g/cm3。所用减水剂为聚羧酸减水剂,减水率为35%。所用纤维为聚丙烯纤维,纤维长度为6~9mm。所用速凝剂为碳酸钠、石灰、硅酸钠按1:1:0.5质量比例混合成的混合物。所述增稠剂为木质纤维素类增稠剂,所述消泡剂为聚硅氧烷聚醚类消泡剂,所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类引气剂引气剂。
改性橡胶粉的制备过程为:
所用改性橡胶粉是将废弃轮胎先通过粉碎,然后按照质量比1:10加入到浓度为10%的表面改性剂溶液中,并置于30-50℃下搅拌,搅拌均匀后得到混合物M;然后按照质量比1:1,将混合物M放置于活化剂溶液中在54℃下加热24h,最后将所述混合物固体过滤烘干粉磨后,得到改性橡胶粉,所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg、密度<2.13g/cm3。
其中,表面改性剂为硅烷偶联剂,活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,其质量比例为1:7,氨水浓度为25%。
3D打印轻质混凝土的制备过程为:
将上述比例的水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、纤维搅拌均匀1mi n,搅拌速率为500rpm,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入145份水,搅拌均匀2mi n,搅拌速率为800rpm,得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、消泡剂、引气剂、减水剂和增稠剂搅拌均匀2min,搅拌速率为500rpm,得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒搅拌3mi n均匀,搅拌速率为800rpm,最终制得3D打印轻质混凝土。
实施例3
3D打印轻质混凝土的配方为:
按重量份数计,包括以下组分:水泥205份;矿物掺合料75份;改性橡胶粉:90份;蜂窝陶瓷颗粒:435份;纤维:3.9份;抗裂剂4.4份;消泡剂:4.3份;减水剂:7.4份,增稠剂7.3份;引气剂:2.5份;水132份。
其中,所用水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥与SAC42.5硫铝酸盐水泥混合物(质量比例为2:5)。所用矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰。所用细集料为蜂窝陶瓷颗粒,蜂窝陶瓷粒径≤5mm,密度为0.60g/cm3。所用减水剂为聚羧酸减水剂,减水率为35%。所用纤维为聚丙烯纤维,纤维长度为6~9mm。所用速凝剂为碳酸钠、石灰、硅酸钠按1:1:0.5质量比例混合成的混合物。所述增稠剂为木质纤维素类增稠剂,所述消泡剂为聚硅氧烷聚醚类消泡剂,所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类引气剂引气剂。
改性橡胶粉的制备过程为:
所用改性橡胶粉是将废弃轮胎先通过粉碎,然后按照质量比1:10加入到浓度为10%的表面改性剂溶液中,并置于30-50℃下搅拌,搅拌均匀后得到混合物M;然后按照质量比1:1,将混合物M放置于活化剂溶液中在54℃下加热24h,最后将所述混合物固体过滤烘干粉磨后,得到改性橡胶粉,所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg、密度<2.13g/cm3。
其中,表面改性剂为硅烷偶联剂,活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,其质量比例为1:7,氨水浓度为25%。
3D打印轻质混凝土的制备过程为:
将上述比例的水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、纤维搅拌均匀1mi n,搅拌速率为500rpm,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入145份水,搅拌均匀2mi n,搅拌速率为800rpm,得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、引气剂、消泡剂、减水剂和增稠剂搅拌均匀2min,搅拌速率为500rpm,得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒搅拌3mi n均匀,搅拌速率为800rpm,最终制得3D打印轻质混凝土。
实施例4
3D打印轻质混凝土的配方为:
按重量份数计,包括以下组分:水泥205份;矿物掺合料75份;改性橡胶粉:120份;蜂窝陶瓷颗粒:405份;纤维:3.9份;消泡剂4.4份;速凝剂:4.3份;减水剂:7.4份,增稠剂7.3份;引气剂:2.5份;水140份。
其中,所用水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥与SAC42.5硫铝酸盐水泥混合物(质量比例为2:5)。所用矿物掺合料为Ⅱ级粉煤灰。所用细集料为蜂窝陶瓷颗粒,蜂窝陶瓷粒径≤5mm,密度为0.60g/cm3。所用减水剂为聚羧酸减水剂,减水率为35%。所用纤维为聚丙烯纤维,纤维长度为6~9mm。所用速凝剂为碳酸钠、石灰、硅酸钠按1:1:0.5质量比例混合成的混合物。所述增稠剂为木质纤维素类增稠剂,所述消泡剂为聚硅氧烷聚醚类消泡剂,所述引气剂为脂肪醇磺酸盐类引气剂引气剂。
改性橡胶粉的制备过程为:
所用改性橡胶粉是将废弃轮胎先通过粉碎,然后按照质量比1:10加入到浓度为10%的表面改性剂溶液中,并置于30-50℃下搅拌,搅拌均匀后得到混合物M;然后按照质量比1:1,将混合物M放置于活化剂溶液中在54℃下加热24h,最后将所述混合物固体过滤烘干粉磨后,得到改性橡胶粉,所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg、密度<2.13g/cm3。
其中,表面改性剂为硅烷偶联剂,活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,其质量比例为1:7,氨水浓度为25%。
3D打印轻质混凝土的制备过程为:
将上述比例的水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、纤维搅拌均匀1mi n,搅拌速率为500rpm,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入145份水,搅拌均匀2mi n,搅拌速率为800rpm,得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、减水剂、引气剂、消泡剂和增稠剂搅拌均匀2min,搅拌速率为500rpm,得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒搅拌3mi n均匀,搅拌速率为800rpm,最终制得3D打印轻质混凝土。
对比例1
严格对照实施例2,在制备3D打印轻质混凝土时加入75份未经过改性处理的橡胶粉,并用于与本发明的3D打印轻质混凝土性能比较研究。
其与实施例2的区别仅在于:该对比例加入的是未经过改性处理的橡胶粉,其他配方和制备过程与实施例2一致。
对比例2
严格对照实施例2,在制备3D打印轻质混凝土时不加入改性橡胶粉,并用于与本发明的3D打印轻质混凝土性能比较研究。
其与实施例2的区别仅在于:该对比例不加入改性橡胶粉,其他配方和制备过程与实施例2一致。
对上述实施例1-4和对比例1-2,按照标准《混凝土3D打印技术规程》T/CECS 786-2020进行性能测试,测试结果如表2示:
表2
注:改性橡胶粉掺量为改性橡胶粉占胶凝材料的百分比;所述3d表示经过3天后的混凝土的抗压强度;
从表2中的测试结果可以看出:
本发明实施例中掺有废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷,其制得的3D打印轻质混凝土的抗压强度提升,且3D打印轻质混凝土具有良好的流动性、可挤出性、建造性以及耐久性,综合性能好。
对比实施例2-3的数据可以看出:随着改性橡胶粉掺入量的增加,3D打印轻质混凝土的流动性有所降低,其可挤出性略有下降,这可能是因为废弃橡胶粉经过粉磨后,其粒径变小,吸水性变强,加入的含量太多可能会导致打出的3D打印轻质混凝土状态变稠,变干,不利于从3D打印机喷嘴处挤出,从而使其可建造性能和可挤出性有所下降。将改性橡胶粉的掺入量控制在本申请所限定的范围内,能够充分利用废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷应用于3D打印轻质混凝土的同时,保障3D打印轻质混凝土仍然具有良好的流动性、可挤出性、建造性以及耐久性,其综合性能良好,可满足使用要求。
从实施例2和对比例1的测试结果中可以看出:相比实施例2,对比例1的可建造性能显著变差,且抗压强度显著降低;本发明实施例采用经过改性处理后的橡胶粉,改性后橡胶粉活性要大于不处理的橡胶粉,等量掺入3D打印轻质混凝土后的硬化体抗压强度,要比未处理的橡胶粉硬化体抗压强度高39.8%。这可能是因为:本发明方案利用改性橡胶粉的硫化网络,将活性物质引入改性橡胶粉的硫化网络中;同时,通过引入带有亲水基团的有机硅氧烷,利用有机硅氧烷的一端可参与反应,在改性橡胶粉中原位生成Si O2纳米粒子网络;而另一端的亲水基团可参与砂浆的水化反应,产生化学键合,从而加强了改性橡胶粉与基体的界面结合,有效提高掺改性橡胶粉砂浆的强度。
从实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和对比例2的测试结果中可以看出,掺入改性橡胶粉后,掺量在21.1%时(实施例2),3d抗压强度最大(为35.5MPa),这可能是因为一部分的改性橡胶粉促进了水泥水化反应的进行,使硬化体中生成了更多的水化产物,比如C-S-H凝胶和钙矾石等。
本发明提供的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土及其制备方法,至少包括以下设计构思、作用机理和有益效果:
(1)本发明通过对橡胶粉进行改性处理,加入表面改性剂对干燥球磨后的橡胶粉进行表面改性处理,表面改性剂中的溶质吸附在橡胶粉表面,使得橡胶粉形成有机分子层(Si-O、Si-O-Si、C-O等有机官能团),进而使得橡胶粉由亲油性变成亲水性,在水泥基体中,与水进行水解反应,形成Si-OH,表面形成OH基团,进一步通过氢键结合或脱水缩合,化学结合水泥浆体,提高其性能。
橡胶粉经过改性处理后,由于3D打印轻质混凝土中存在大量的不同种类、不同孔径的孔隙,改性橡胶粉的掺入,不但可以填充这些孔隙,提高了密实度;而且在水泥的胶结作用下,改性橡胶粉与孔隙的壁粘结成具有一定强度的结构,同时由于改性橡胶粉自身的弹性特点,在混凝土受压时能负担并缓冲一部分应力,且可以消除孔隙中存在的应力集中点,约束微裂缝的发展,从而提高3D打印轻质混凝土的抗冲击性能。
(2)本发明通过掺入矿物掺合料,矿物掺合料(粉煤灰和矿渣粉等)也可以替代部分水泥,在3D打印轻质混凝土中起到胶凝材料的作用,另一方面,如此设计可以降低整体材料成本。
(3)本发明通过掺入纤维、速凝剂、增稠剂、聚羧酸减水剂组分与其他组分配合作用,其中,纤维(例如聚丙烯纤维等)能提高3D打印轻质混凝土的耐久性;速凝剂能调节3D打印轻质混凝土的凝结时间;增稠剂可提高3D打印轻质混凝土的粘结性能,聚羧酸减水剂能降低保温砂浆的用水量且能提高3D打印轻质混凝土的流动性、抗压强度,通过这些组分相结合,使3D打印轻质混凝土具有优异的可挤出性、可建造性及耐久性。
综上所述,本发明对废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷进行废料再利用,对废弃橡胶粉进行改性处理后掺入混凝土中,通过改性橡胶粉与其他组分协同配合,以使混凝土到达所需性能;本发明将废弃橡胶轮胎、废弃蜂窝陶瓷资源化利用与3D打印智能建造相结合,一方面降低了3D打印轻质混凝土的成本,另一方面,对废物进行再利用,节约资源,保护环境;并且,将废弃橡胶和废弃蜂窝陶瓷应用于3D打印轻质混凝土的同时,还能提高混凝土的抗压性能,保障3D打印轻质混凝土具有良好的流动性、可挤出性、建造性以及耐久性;本发明有利于推动3D打印轻质混凝土技术的发展,具有较高的环境效益和社会效益。
需要说明的是:
除了上述具体实施例体现的实际选择外,对于3D打印轻质混凝土的各组分配方比例,在上述配方限定范围内均可行,包括但不限于上述实施例体现的实际选择;
除了上述具体实施例体现的实际选择外,对于3D打印轻质混凝土的各组分种类选择,本领域技术人员可进行适应性调整,包括但不限于上述实施例体现的实际选择;
综上,上述实施例中的具体参数或一些常用试剂或原料,为本发明构思下的具体实施例或优选实施例,而非对其限制;本领域技术人员在本发明构思及保护范围内,可以进行适应性调整。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于,包括以下组分:水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉、蜂窝陶瓷颗粒、纤维、消泡剂、速凝剂、减水剂、增稠剂、引气剂以及水;
所述改性橡胶粉是由混合物M加入活化剂溶液中加热处理、并烘干处理而制得,其中,所述混合物M为橡胶粉与表面改性剂溶液的混合物。
2.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述橡胶粉与所述表面改性剂溶液的质量比为1:(8~14),所述表面改性剂溶液的质量百分浓度为5%~10%;
所述活化剂溶液与所述混合物M的质量比为1:(1.0~1.6);所述活化剂溶液为硅酸钠和氨水的混合物,所述硅酸钠与所述氨水的质量比为1:(7~10),其中,所述氨水的质量百分浓度为(20~30)%。
3.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述表面改性剂包括铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述橡胶粉先与表面改性剂溶液在30℃~50℃下混合均匀形成所述混合物M;
将所述混合物M加入活化剂溶液中,于50℃~60℃下加热处理20~36h形成混合物N,将混合物N过滤烘干制得所述改性橡胶粉。
5.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述改性橡胶粉的比表面积>420m2/kg,且其密度<2.13g/cm3;
所述蜂窝陶瓷颗粒的粒径≤5mm,且其密度为0.5~1.0g/cm3。
6.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:按重量份数计,其组分包括:
水泥100~300份,矿物掺合料60~100份,改性橡胶粉50~120份,蜂窝陶瓷颗粒300~500份,纤维2.0~6.0份,消泡剂1.0~7.0份,速凝剂2.0~6.0份,减水剂4.0~10份,增稠剂2.0~12份,引气剂1.0~4.0份以及水112~224份。
7.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:按重量份数计,其组分包括:
水泥120~290份,矿物掺合料60~90份,改性橡胶粉50~110份,蜂窝陶瓷颗粒320~470份,纤维3.2~4.6份,消泡剂2.4~6.4份,速凝剂3.2~5.4份,减水剂5.6~9.2份,增稠剂3.2~11.4份,引气剂1.4~3.6份,以及水121~211份。
8.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述水泥包括P·O42.5水泥、P·O42.5R水泥、PC 42.5复合硅酸盐水泥、SAC42.5硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或几种组合;
所述矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉中的一种或几种组合;
所述纤维包括聚丙烯纤维、玄武岩纤维、植物纤维中的一种或几种组合;
所述消泡剂包括氯乙烷、甲苯、聚硅氧烷聚醚、聚合环氧丙烷中的一种或几种组合。
9.根据权利要求1所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土,其特征在于:所述速凝剂包括碳酸钠、石灰、硅酸钠中的一种或几种组合;
所述减水剂为聚羧酸减水剂,其减水率≥30%;
所述增稠剂包括无机增稠剂、木质纤维素类增稠剂、醚类增稠剂、聚丙烯酸酯增稠剂中的至少一种;
所述引气剂包括烷基和烷基芳烃磺酸类、皂苷类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、蛋白质盐中的至少一种。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下制备步骤:
称取水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维,并将水泥、矿物掺合料、改性橡胶粉和纤维混合均匀,得到第一混合物;
向所述第一混合物中加入水,混合均匀得到第二混合物;
向所述第二混合物中加入速凝剂、消泡剂、引气剂、减水剂和增稠剂,混合均匀得到第三混合物;
向所述第三混合物中加入蜂窝陶瓷颗粒混合均匀,制得所述的用改性橡胶粉制备的3D打印轻质混凝土。
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