CN116102334A - 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法 - Google Patents

一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116102334A
CN116102334A CN202211518485.4A CN202211518485A CN116102334A CN 116102334 A CN116102334 A CN 116102334A CN 202211518485 A CN202211518485 A CN 202211518485A CN 116102334 A CN116102334 A CN 116102334A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alkali
printing
parts
fiber concrete
concrete
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211518485.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116102334B (zh
Inventor
杨烨凯
鲁鹏远
赵庆新
刘瑞晗
刘中宪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanshan University
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN202211518485.4A priority Critical patent/CN116102334B/zh
Publication of CN116102334A publication Critical patent/CN116102334A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116102334B publication Critical patent/CN116102334B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B30/00Compositions for artificial stone, not containing binders
    • C04B30/02Compositions for artificial stone, not containing binders containing fibrous materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B18/00Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B18/04Waste materials; Refuse
    • C04B18/12Waste materials; Refuse from quarries, mining or the like
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B22/00Use of inorganic materials as active ingredients for mortars, concrete or artificial stone, e.g. accelerators, shrinkage compensating agents
    • C04B22/0006Waste inorganic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00181Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Devices For Post-Treatments, Processing, Supply, Discharge, And Other Processes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法,该混凝土按照重量份数计,包括:具有碱激发活性的粉体:0.4~0.6份;细骨料:1~1.5份;碱激发剂:0.1~0.2份;纤维:0.008~0.03份;水:0.20~0.60份;碱激发剂为氢氧化钠溶液;具有碱激发活性的粉体由0.1~0.15份矿粉和0.3~0.45份碱渣组成。本发明提供的混凝土与打印机协调相容,保证打印过程中材料被连续挤出、不中断,堆积过程中结构稳定,其以碱渣作为主要原料,不仅满足3D打印的需求,还有效减少了水泥的用量,提高了固废利用率,还可以解决碱渣储存带来的占用土地,环境污染的问题,符合绿色环保的需求。

Description

一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域,尤其涉及一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法。
背景技术
3D打印作为一项新兴技术,它通过打印机喷嘴进行材料挤出、堆积,打印出可复制、可控制的实体产品,被称为“具有工业革命意义的制造技术”。与传统的制造技术相比较,3D打印技术具有节约劳动力及原材料,精度高,制造速度快等优势。
3D打印混凝土技术能够实现工程建造的快速化、智能化以及机械化,有利于降低劳动力资源浪费,充分贯彻我国“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念。然而,由于目前3D打印混凝土技术还处在探索阶段,受限于打印材料、设备和工艺,打印出的建筑结构往往无法配筋,这就导致结构中受弯构件强度不够。为了弥补钢筋缺失导致的3D打印混凝土结构性能不足,需要用于3D打印的混凝土材料具备高强、高韧等特点。因此在混凝土中掺加纤维得到的3D打印纤维混凝土可以在一定程度上解决抗弯性能不足的问题。
碱渣作为工业生产中制碱和碱处理过程中排放的碱性废渣,每年需要通过投入大量金钱和资源去进行处理。并且通过地表堆积的方式处理的碱渣,在经过沉积后会形成一片“白海”,造成周围环境的污染。因此将碱渣作为原料应用在混凝土中,不仅可以取代不可再生的天然石料,又可以提高混凝土的性能。还可以更加有效地利用,变废为宝,具有明显的社会效益和经济效益。
发明内容
针对上述背景技术中的问题,本发明的目的在于提供一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法。该3D打印纤维混凝土以碱渣为主要原料,不仅有效地减少水泥用量,还可以解决由碱渣储存带来的占用土地、环境污染问题,该纤维混凝土的可打印性能高、硬化速度快、粘结性好、强度高,具有良好的工程应用前景。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土,按照重量份数计,包括:
具有碱激发活性的粉体:0.4~0.6份;
细骨料:1~1.5份;
碱激发剂:0.1~0.2份;
纤维:0.008~0.03份;
水:0.20~0.60份;
其中,所述碱激发剂为氢氧化钠溶液;所述具有碱激发活性的粉体由0.1~0.15份矿粉和0.3~0.45份碱渣组成。
在某些具体的实施方式中,所述具有碱激发活性的粉体的重量份数为0.4份、0.42份、0.44份、0.46份、0.48份、0.50份、0.52份、0.54份、0.56份、0.58份、0.6份或它们之间的任意重量份数。
在某些具体的实施方式中,所述细骨料的重量份数为1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份或它们之间的任意重量份数。
在某些具体的实施方式中,所述碱激发剂的重量份数为0.10份、0.11份、0.12份、0.13份、0.14份、0.15份、0.16份、0.17份、0.18份、0.19份、0.20份或它们之间的任意重量份数。
在某些具体的实施方式中,所述纤维的重量份数为0.008份、0.01份、0.015份、0.020份、0.025份、0.03份或它们之间的任意重量份数。
在某些具体的实施方式中,所述水的重量份数为0.20份、0.25份、0.30份0.35份、0.40份、0.45份、0.50份、0.55份、0.60份或它们之间的任意重量份数。
在某些具体的实施方式中,所述具有碱激发活性的粉体中,所述矿粉的重量份数为0.1份、0.11份、0.12份、0.13份、0.14份、0.15份或它们之间的任意重量份数;所述碱渣的重量份数为0.3份、0.32份、0.34份、0.36份、0.38份、0.4份、0.41份、0.42份、0.43份、0.44份、0.45份或它们之间的任意重量份数。
作为优选地实施方式,所述氢氧化钠溶液的质量分数为17%~83%。
作为优选地实施方式,所述细骨料为石英砂;
优选地,所述细骨料由粗砂0.17~0.25份、中砂0.33~0.50份和细砂0.50~0.75份配比组成;
优选地,所述粗砂的粒径为380~830μm;所述中砂的粒径为212~380μm;所述细砂的粒径为109~212μm。
作为优选地实施方式,所述矿粉中的主要成分为氧化钙、二氧化硅和三氧化二铝;其中,氧化钙的含量为32%~49%,优选为36.3%;二氧化硅的含量为32%~41%,优选为37.1%;三氧化二铝的含量为6%~17%,优选为14.4%;
优选地,所述矿粉含水率为0.1%~0.15%,进一步优选为0.12%;
优选地,所述矿粉的比重为2.71~2.95g/cm3,进一步优选为2.87g/cm3;粒径为8~15μm,进一步优选为12.7μm;比表面积为400~500m2/kg。
作为优选地实施方式,所述碱渣中的主要成分为硫酸钙、碳酸钙、氯化钙、氧化钙、三氧化二铝和二氧化硅;其中,硫酸钙的含量为39.5%~49.7%,优选为45.6%;碳酸钙的含量为3.1%~9.4%,优选为3.9%;氯化钙的含量为7.1%~11.4%,优选为10.5%;氧化钙的含量为6.7%~14.3%,优选为10.3%;三氧化二铝的含量为1.7%~4.5%,优选为3.0%;二氧化硅的含量为6.4%~13.6%,优选为7.8%;
优选地,所述碱渣为经过烘干、破碎后粒径≤0.075mm的碱渣。
在本发明的技术方案中,碱渣的溶液呈碱性,pH值在10左右,由于碱渣粒度很细,使得碱渣比表面积很大,具有胶体性质。
作为优选地实施方式,所述纤维为聚丙烯纤维和钢纤维的组合物;
优选地,按质量份计,所述纤维为0.004~0.15份聚丙烯纤维和0.004~0.015份钢纤维的组合物;
优选地,所述聚丙烯纤维的直径为18~48μm,进一步优选为18μm,长度为6~15mm,进一步优选为10mm;
优选地,所述聚丙烯纤维的抗拉强度≥276MPa,弹性模量为3000~4000MPa,极限拉伸为15%~18%,进一步优选为15%;
优选地,所述钢纤维的直径为0.10~0.15mm,进一步优选为0.12mm,长度为6~10mm,进一步优选为6mm;
优选地,所述钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
在本发明的技术方案中,聚丙烯纤维和钢纤维的组合物用于提高构件强度,防止构件开裂。
又一方面,本发明提供上述基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的制备方法,包括以下步骤。
步骤1:将工业碱渣在100~110℃加热粉碎研磨得到碱渣;
步骤2:将矿粉和步骤1得到的碱渣搅拌均匀得到混合干料;
步骤3:将碱激发剂加入到步骤3得到的混合干料中,搅拌后加入水继续搅拌得到浆体;
步骤4:将纤维加入到步骤3得到的浆体中,充分搅拌即得到所述3D打印碱激发纤维混凝土。
作为优选地实施方式,步骤1中,所述100~110℃加热的时间为12~24h。
作为优选地实施方式,步骤2~4中,每一步骤中的搅拌的总时间≥4min。
在某些具体的实施方式中,步骤3中,所述碱激发剂的制备方法包括以下步骤:
将0.04~0.068份氢氧化钠溶于0.082~0.195份蒸馏水中,冷却至室温;
优选地,所述冷却为水浴冷却;
在某些具体的实施方式中,所述碱激发剂静置后溶液会变得澄清,能够分离出更多的氢氧根离子,静置温度为25±2℃。
又一方面,本发明提供上述基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的打印方法,包括以下步骤:
将所述3D打印碱激发纤维混凝土输送至3D打印机的料斗内,然后开始打印;
其中,所述3D打印碱激发纤维混凝土为新制不超过5min。
优选地,所述3D打印机打印喷头的截面为圆形,口径为10~25mm,打印挤出速度为0.5~1.0m3/h,平面内打印速度为180~210m3/h。在本发明的技术方案中,圆形打印喷头更适宜小型构件的打印,采用矩形打印喷头,会导致挤出速度不受控的问题。打印喷头的口径的选取与打印的构件和打印材料等有关,对于小型构件选用的打印喷头不宜过大,太大容易导致打印出来的构件尺寸不够精确。打印含有砂子、纤维等的材料时,口径不宜太小,太小容易导致喷嘴堵塞等。
与现有的3D打印混凝土材料相比,本发明的有益效果是:本发明以碱渣为原料制备3D打印碱激发纤维混凝土,其中,碱渣是氨碱工艺产生的固体废物,会污染水体和土壤,对环境产生威胁。其主要成分为:CaO、CaSO4、CaCl2、CaCO3、Al2O3,具有较高的碱度,满足作为碱激发剂的要求。由碱渣激发的矿粉浆体具有可接受的凝结时间,较高的抗压强度,并且最大限度的利用了固体废物碱渣。碱渣中CaCl2的存在是导致矿粉浆体凝结时间短、抗压强度高的主要原因。碱渣活化矿粉浆体主要水化产物是水化硅酸钙凝胶(CSH)、水化硅酸铝钙凝胶(CASH)和Friedel盐,这保证了该浆体良好的力学性能。本发明提供的3D打印碱激发纤维混凝土可以与打印机协调相容,保证打印过程中材料被连续挤出、不中断,堆积过程中结构比较稳定。而且,本发明提供的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土以矿粉和碱渣作为硅铝矿物来源,并且以碱渣作为主要原料和激发物,以添加固体废料来降低碱溶液的成本的同时消耗了大量的工业固废,具有较高的环境以及经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1中的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土打印的结构体龄期28天时的应力-应变曲线图。
图2为本发明实施1中的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土进行挤出性评价测试的效果图。
具体实施方式
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。因此,以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
在本发明中,若非特指,所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
下述实施例和对比例中:
矿粉和碱渣的成分及含量通过X射线荧光(XRF)测得,具体为:
矿粉为购自河北京航矿产品有限公司的S95级粒化高炉矿渣粉,其成分为(以下含量均为质量百分数):含量为36.3%的氧化钙、含量为37.1%的二氧化硅的、含量为14.4%三氧化二铝的、含量为6.7%的氧化镁、2.74%含量为的三氧化二铁、含量为1.44%的二氧化钛、含量为0.6%的氧化钠、含量为0.6%的氧化钾和含量为0.12%的水;比重为2.87g/cm3,粒径为12.7μm,比表面积为400m2/kg。
碱渣的成分为(以下含量均为质量百分数):含量为45.6%的硫酸钙、含量为3.9%的碳酸钙、含量为10.5%的氯化钙、含量为10.3%的氧化钙、含量为2.5%的氯化钠、含量为3.0%的三氧化二铝、含量为7.8%的二氧化硅、含量为0.9%的三氧化二铁、含量为10.3%的氢氧化镁和含量为4.0%的水。
粗砂:粒径为380~830μm。
中砂:粒径为212~380μm。
细砂:粒径为109~212μm。
聚丙烯纤维:直径为18μm,长度为10mm,抗拉强度为276MPa,弹性模量为3793MPa,极限拉伸为15%。
钢纤维的直径为0.12mm,长度为6mm,抗拉强度为2700MPa。
粉煤灰:购自河北京航矿产品有限公司的I级粉煤灰。
实施例1
本实施例中的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土,按重量份数计,包括:
具有碱激发活性的粉体0.4份:由0.3份碱渣与0.1份矿粉组成;
石英砂1.21份:粗砂0.20份、中砂0.41份、细砂0.60份;
碱激发剂0.1份:质量浓度为33.3%的氢氧化钠溶液;
水0.385份;
纤维0.011份:由0.005份聚丙烯纤维和0.006份钢纤维组成。
本实施例中,上述基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的制备方法如下:
步骤1:以工业碱渣为原料,在烘干箱中105℃12h烘干捣碎得到粒径≤0.075mm的碱渣;
步骤2:将0.045份氢氧化钠粉末溶于0.092份蒸馏水中充分混合得到氢氧化钠溶液,浓度为33.3%;由于氢氧化钠在溶解过程中会放出大量的热量,因此采用水淋浴的方法将氢氧化钠溶液冷却至室温,制备得到碱激发剂;储存24h后待用,储存温度为25±2℃;
步骤3:将0.1份矿粉与0.3份步骤1所制备的碱渣放入砂浆搅拌机搅拌两分钟使其混合充分,再放入1.21份石英砂继续搅拌使粗、中、细砂与矿粉、碱渣混合均匀得到混合干料;本步骤中的总搅拌时间不小于四分钟;
步骤4:将0.1份碱激发剂缓慢加入到由步骤3得到的混合干料中,搅拌两分钟后,加入0.385份水充分搅拌四分钟成浆体;
步骤5:将0.005份聚丙烯纤维和0.006份钢纤维加入步骤4得到的浆体中,加入纤维时不可直接倒入,而是将纤维分散均匀缓慢撒入搅拌机中,否则会出现结团现象(钢纤维最明显),充分搅拌四分钟后即得到基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土。
将本实施例制备得到的混凝土用泵送或者机械输送至3D打印机的料斗内,对打印后的结构体进行相关性能测试。其中,该混凝土从步骤5中的搅拌结束到开始打印的时间不超过5min,打印喷头的截面为圆形,口径为15mm,打印挤出速度为0.5m3/h,平面内打印速度为180m3/h。
图2所示为本实施例中的3D打印碱激发纤维混凝土挤出性评价测试的效果图,挤出性是指材料从3D打印机喷嘴里连续挤出的能力,从图中可以看出,本实施例的混凝土材料能够进行持续的连续打印,且无中断无阻塞。本实施例提供的混凝土不仅打印过程顺利,而且打印好的纤维混凝土具有比较好的早期强度,其初凝时间为22分钟,终凝时间为297分钟,流动度为231。自然养护3d的抗压强度为91.2MPa,自然养护7d的抗压强度为111.7MPa,自然养护28d的抗压强度为171.4MPa(如图1所示)。
实施例2
本实施例中的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土,按重量份数计,包括:
具有碱激发活性的粉体0.45份:由0.3份碱渣和0.15份矿粉组成;
石英砂1.36份:粗砂0.22份、中砂0.43份、细砂0.71份;
碱激发剂0.12份:质量浓度为33.3%的氢氧化钠溶液;
水0.53份;
纤维为0.017份:由0.009份钢纤维和0.008份聚丙烯纤维组成。
本实施例中,上述基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的制备方法包括以下步骤:
步骤1:以工业碱渣为原料,在烘干箱中105℃12h烘干捣碎得到粒径≤0.075mm的碱渣废料粉末。
步骤2:将0.045份氢氧化钠粉末溶于0.092份蒸馏水中充分混合得到氢氧化钠溶液,浓度为33.3%,由于氢氧化钠在溶解过程中会放出大量的热量,因此采用水淋浴的方法将氢氧化钠溶液冷却至室温,制备得到碱激发剂,储存24h后待用,储存温度为25±2℃;
步骤3:将0.15份矿粉与0.3份步骤1所制备的碱渣放入砂浆搅拌机搅拌2min使其混合充分,再放入1.21份石英砂继续搅拌使粗、中、细砂与矿粉、碱渣混合均匀得到混合干料;本步骤中的总搅拌时间不小于四分钟;
步骤4:将0.12份步骤2制备的碱激发剂缓慢加入到步骤3得到的混合干料中,搅拌2min后,加入0.53份水充分搅拌四分钟成浆体;
步骤5:将0.008份聚丙烯纤维和0.009份钢纤维加入到步骤4得到的浆体中;放入纤维时不可直接倒入,而是分散均匀缓慢撒入搅拌机中,否则会出现结团现象(钢纤维最明显),充分搅拌4min后即得到基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土。
将本实施例制备得到的混凝土用泵送或者机械输送至3D打印机的料斗内,对打印后的结构体进行相关性能测试。其中,该混凝土从步骤5中的搅拌结束到开始打印的时间不超过5min,打印喷头的截面为圆形,口径为20mm,打印挤出速度为0.6m3/h,平面内打印速度为180m3/h。
本实施例提供的混凝土,不仅打印过程顺利,而且打印好的纤维混凝土具有比较好的早期强度。其初凝时间为25分钟,终凝时间为313分钟,流动度为230。自然养护3d的抗压强度为90.1MPa,自然养护7d的抗压强度为109.6MPa,自然养护28d的抗压强度为168.4MPa。
实施例3
本实施例中的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土,按重量份数计,包括:
具有碱激发活性的粉体0.5份:由0.40份碱渣和0.10份矿粉组成;
石英砂1.29份:粗砂0.19份、中砂0.39份、细砂0.71份;
碱激发剂0.15份;
水0.459份;
纤维0.023份:由0.011份钢纤维和0.012份聚丙烯纤维组成。
本实施例中,上述基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土制备方法如下:
步骤1:以工业碱渣为原料,在烘干箱中105℃12h烘干捣碎得到粒径≤0.075mm的碱渣;
步骤2:将0.0525份氢氧化钠粉末溶于0.159份蒸馏水中充分混合得到氢氧化钠溶液,浓度为33.3%,由于氢氧化钠在溶解过程中会放出大量的热量,因此采用水淋浴的方法将氢氧化钠溶液冷却至室温,制备得到碱激发剂,储存24h后待用,储存温度为25±2℃;
步骤3:将0.10份矿粉与0.4份步骤1所制备的碱渣加入砂浆搅拌机搅拌2min使其混合充分,再放入1.29份石英砂继续搅拌使粗、中、细砂与矿粉、碱渣混合均匀得到混合干料;本步骤中的总搅拌时间不小于四分钟;
步骤4:将0.15份步骤2制得的碱激发剂缓慢加入到由步骤3得到的混合干料中,搅拌2min后,加入0.459份水充分搅拌成为浆体;
步骤5:将0.012份聚丙烯纤维和0.011份钢纤维加入步骤4所制得的浆体中,放入纤维时不可直接倒入,而是分散均匀缓慢撒入搅拌机中,否则会出现结团现象(钢纤维最明显),充分搅拌四分钟后即可得到基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土。
将本实施例制备得到的混凝土用泵送或者机械输送至3D打印机的料斗内,对打印后的结构体进行相关性能测试。其中,该混凝土从步骤5中的搅拌结束到开始打印的时间不超过5min,打印喷头的截面为圆形,口径为25mm,打印挤出速度为1.0m3/h,平面内打印速度为200m3/h。
本实施例提供的混凝土,不仅打印过程顺利,而且打印好的纤维混凝土具有比较好的早期强度。其初凝时间为27分钟,终凝时间为320分钟,流动度为200。自然养护3d的抗压强度为93.5MPa,自然养护7d的抗压强度为118.6MPa,自然养护28d的抗压强度为177.6MPa。
对比例1
本对比例中的混凝土以粉煤灰为主要原料,按重量份数计,包括:
粉煤灰0.4份;
石英砂1.29份:粗砂0.19份、中砂0.39份、细砂0.71份;
碱激发剂0.45份;
水0.159份;
纤维0.023份:由0.011份钢纤维和0.012份聚丙烯纤维组成。
制备方法如下:
步骤1:将0.0525份氢氧化钠粉末溶于0.159份蒸馏水中充分混合得到氢氧化钠溶液,浓度为33.3%,由于氢氧化钠在溶解过程中会放出大量的热量,因此采用水淋浴的方法将氢氧化钠溶液冷却至室温,制备得到碱激发剂,储存此碱激发剂24h后待用,储存温度为25±2℃;
步骤3:将0.4份粉煤灰、1.29份石英砂、0.023份纤维混合,置于搅拌机中搅拌4min以上,搅拌至混合均匀得到混合干料;
步骤4:将0.45份步骤1制备的碱激发剂加入到由步骤3得到的混合干料中,充分搅拌4min以上,搅拌结束后即可得到以粉煤灰为原料的3D打印纤维混凝土。
将得到的混凝土用泵送或者机械输送至3D打印机的料斗内,对打印后的结构体进行相关性能测试。其中,该混凝土从步骤4中的搅拌结束到开始打印的时间不超过5min,打印喷头的截面为圆形,口径为25mm,打印挤出速度为1.0m3/h,平面内打印速度为200m3/h。
本对比例中的混凝土,其初凝时间为40分钟,终凝时间为395分钟,流动度为299。自然养护3d的抗压强度为31.5MPa,自然养护7d的抗压强度为44.3MPa,自然养护28d的抗压强度为69.5MPa。
对比例2
本对比例中的混凝土以矿粉为主要原料,包括:
矿粉0.4份;
石英砂1.29份:粗砂0.19份、中砂0.39份、细砂0.71份;
碱激发剂0.45份;
水0.159份;
纤维0.023份:由0.011份钢纤维和0.012份聚丙烯纤维组成。
制备方法包括以下步骤:
步骤1:将0.0525份氢氧化钠粉末溶于0.159份蒸馏水中充分混合得到氢氧化钠溶液,浓度为33.3%,由于氢氧化钠在溶解过程中会放出大量的热量,因此采用水淋浴的方法将氢氧化钠溶液冷却至室温,制备得到碱激发剂,储存此碱激发剂24h后待用,储存温度为25±2℃;
步骤3:将0.4份矿粉、1.29份石英砂、0.023份纤维混合,置于搅拌机中搅拌4min以上,搅拌至混合均匀得到混合干料;
步骤4:将0.45份步骤1制备的碱激发剂加入到由步骤3得到的混合干料中,充分搅拌4min以上,搅拌结束后即可得到以矿粉为原料的3D打印纤维混凝土。
将得到的混凝土用泵送或者机械输送至3D打印机的料斗内,对打印后的结构体进行相关性能测试。其中,该混凝土从步骤4中的搅拌结束到开始打印的时间不超过5min,打印喷头的截面为圆形,口径为25mm,打印挤出速度为1.0m3/h,平面内打印速度为200m3/h。
本对比例中的混凝土,其初凝时间为38分钟,终凝时间为392分钟,流动度为274。自然养护3d的抗压强度为50.4MPa,自然养护7d的抗压强度为61.8MPa,自然养护28d的抗压强度为91.6MPa。
通过以上对比,实施例1~3的混凝土流动性明显低于对比例1~2。说明了本发明以碱渣为主要原料的混凝土具有比较良好的稳定性,碱渣的加入有助于增加结构的稳定性和密实性。
实施例1~3的混凝土3天自然养护条件下的抗压强度、7天自然养护条件下的抗压强度、28天自然养护条件下的抗压强度均明显高于对比例1~2。由此可以看出碱渣矿粉混合后作为主要原料的3D打印纤维混凝土的性能明显优于矿粉和粉煤灰作原料的3D打印纤维混凝土。
综上所述,本发明提供的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土表现出优异的强度特性以及良好的韧性。碱渣的加入不仅可以减少水泥的用量,也能够解决碱渣废料带来的污染问题,并且提高了材料的抗压强度和整体的稳定性、密实性,能够满足建筑3D打印对材料的力学性能要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,按照重量份数计,包括:
具有碱激发活性的粉体:0.4~0.6份;
细骨料:1~1.5份;
碱激发剂:0.1~0.2份;
纤维:0.008~0.03份;
水:0.20~0.60份;
其中,所述碱激发剂为氢氧化钠溶液;所述具有碱激发活性的粉体由0.1~0.15份矿粉和0.3~0.45份碱渣组成。
2.根据权利要求1所述的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,所述氢氧化钠溶液的质量分数为17%~83%。
3.根据权利要求1所述的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,所述细骨料为石英砂;
优选地,所述细骨料由粗砂0.17~0.25份、中砂0.33~0.50份和细砂0.50~0.75份配比组成;
优选地,所述粗砂的粒径为380~830μm;所述中砂的粒径为212~380μm;所述细砂的粒径为109~212μm。
4.根据权利要求1所述的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,所述矿粉中的主要成分为氧化钙、二氧化硅和三氧化二铝;其中,氧化钙的含量为32%~49%,优选为36.3%;二氧化硅的含量为32%~41%,优选为37.1%;三氧化二铝的含量为6%~17%,优选为14.4%;
优选地,所述矿粉含水率为0.1%~0.15%,进一步优选为0.12%;
优选地,所述矿粉的比重为2.71~2.95g/cm3,进一步优选为2.87g/cm3;粒径为8~15μm,进一步优选为12.7μm;比表面积为400~500m2/kg。
5.根据权利要求1所述的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,所述碱渣中的主要成分为硫酸钙、碳酸钙、氯化钙、氧化钙、三氧化二铝和二氧化硅;其中,硫酸钙的含量为39.5%~49.7%,优选为45.6%;碳酸钙的含量为3.1%~9.4%,优选为3.9%;氯化钙的含量为7.1%~11.4%,优选为10.5%;氧化钙的含量为6.7%~14.3%,优选为10.3%;三氧化二铝的含量为1.7%~4.5%,优选为3.0%;二氧化硅的含量为6.4%~13.6%,优选为7.8%;
优选地,所述碱渣为经过烘干、破碎后粒径≤0.075mm的碱渣。
6.根据权利要求1所述的3D打印碱激发纤维混凝土,其特征在于,所述纤维为聚丙烯纤维和钢纤维的组合物;
优选地,按质量份计,所述纤维为0.004~0.15份聚丙烯纤维和0.004~0.015份钢纤维的组合物;
优选地,所述聚丙烯纤维的直径为18~48μm,进一步优选为18μm,长度为6~15mm,进一步优选为10mm;
优选地,所述聚丙烯纤维的抗拉强度≥276MPa,弹性模量为3000~4000MPa,极限拉伸为15%~18%,进一步优选为15%;
优选地,所述钢纤维的直径为0.10~0.15mm,进一步优选为0.12mm,长度为6~10mm,进一步优选为6mm;
优选地,所述钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
7.权利要求1-6任一所述的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:将工业碱渣在100~110℃加热粉碎研磨得到碱渣;
步骤2:将矿粉和步骤1得到的碱渣搅拌均匀得到混合干料;
步骤3:将碱激发剂加入到步骤3得到的混合干料中,搅拌后加入水继续搅拌得到浆体;
步骤4:将纤维加入到步骤3得到的浆体中,充分搅拌即得到所述3D打印碱激发纤维混凝土。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述100~110℃加热的时间为12~24h。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,步骤2-4中,每一步骤中的搅拌的总时间≥4min。
10.权利要求1-6任一所述的基于碱渣的3D打印碱激发纤维混凝土的打印方法,其特征在于,包括以下步骤:
将所述3D打印碱激发纤维混凝土输送至3D打印机的料斗内,然后开始打印;
其中,所述3D打印碱激发纤维混凝土为新制不超过5min;
优选地,所述3D打印机打印喷头的截面为圆形,口径为10~25mm,打印挤出速度为0.5~1.0m3/h,平面内打印速度为180~210m3/h。
CN202211518485.4A 2022-11-30 2022-11-30 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法 Active CN116102334B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211518485.4A CN116102334B (zh) 2022-11-30 2022-11-30 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211518485.4A CN116102334B (zh) 2022-11-30 2022-11-30 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116102334A true CN116102334A (zh) 2023-05-12
CN116102334B CN116102334B (zh) 2024-09-10

Family

ID=86255138

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211518485.4A Active CN116102334B (zh) 2022-11-30 2022-11-30 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116102334B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117846211A (zh) * 2023-12-28 2024-04-09 广东工业大学 一种3d打印低碳优化变形混凝土板及其制备工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108178567A (zh) * 2018-02-01 2018-06-19 济南大学 一种3d打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法
CN110092625A (zh) * 2019-05-24 2019-08-06 华南理工大学 一种用碱渣制备超细碳酸钙粉配制的水泥混合砂浆
CN111302709A (zh) * 2020-02-28 2020-06-19 中国建筑材料科学研究总院有限公司 3d打印用碱激发胶凝材料及其打印方法
WO2020228432A1 (zh) * 2019-05-13 2020-11-19 中国十七冶集团有限公司 一种用于3d打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法和应用
CN113372032A (zh) * 2020-03-09 2021-09-10 博湃建筑科技(上海)有限公司 轻质3d打印建筑油墨及其地聚合物凝胶材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108178567A (zh) * 2018-02-01 2018-06-19 济南大学 一种3d打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法
WO2020228432A1 (zh) * 2019-05-13 2020-11-19 中国十七冶集团有限公司 一种用于3d打印建筑的防水保温砂浆及其制备方法和应用
CN110092625A (zh) * 2019-05-24 2019-08-06 华南理工大学 一种用碱渣制备超细碳酸钙粉配制的水泥混合砂浆
CN111302709A (zh) * 2020-02-28 2020-06-19 中国建筑材料科学研究总院有限公司 3d打印用碱激发胶凝材料及其打印方法
CN113372032A (zh) * 2020-03-09 2021-09-10 博湃建筑科技(上海)有限公司 轻质3d打印建筑油墨及其地聚合物凝胶材料的制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117846211A (zh) * 2023-12-28 2024-04-09 广东工业大学 一种3d打印低碳优化变形混凝土板及其制备工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN116102334B (zh) 2024-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100894934B1 (ko) 미세하게 미립으로 덮힌 표면의 미립자
JP4558281B2 (ja) 固化体製造方法
CN109608068A (zh) 一种胶凝材料、混凝土预制件及混凝土预制件的制备方法
CN101289332A (zh) 一种低温陶瓷泡沫材料及其生产方法
CN1089732C (zh) 高活性混凝土掺合料的制备技术和方法
US20030041783A1 (en) Cementitious composition containing glass powder as a pozzolan
Ilcan et al. Effect of industrial waste-based precursors on the fresh, hardened and environmental performance of construction and demolition wastes-based geopolymers
CN116102334B (zh) 一种基于碱渣的3d打印碱激发纤维混凝土及其制备方法和打印方法
CN111410489A (zh) 一种高强度自密实混凝土及其制备方法
CN111875300A (zh) 一种基于绿色地聚合物和疏浚砂的新型细粒混凝土及其制备方法
EKAPUTRI et al. The effect of various Na2SiO3/NaOH ratios on the physical properties and microstructure of artificial aggregates
US20030037708A1 (en) High early strength cementitous compositions containing glass powder
CN102659370A (zh) 一种矿物掺合料混凝土及其制备方法
KR101120062B1 (ko) 건축물 폐재의 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트 및 그 제조방법
CN114315251B (zh) 矿渣地聚合物混凝土及其制备方法
CN110937863A (zh) 一种可循环水泥混凝土及其制备方法
CN115403312B (zh) 一种高硫尾砂胶凝材料及其制备方法和应用
CN111574168A (zh) 一种硅锰水淬渣混凝土
CN116535147A (zh) 一种利用尾矿砂制备自密实混凝土的方法和应用
Alnkaa et al. Performance evaluation and cost analysis of ternary blended geopolymers for sustainable built environment under different curing regimes
WO2001079131A1 (en) Cementitious composition containing glass powder as a pozzolan
Kishore et al. Exposure of calcined clay and low calcium flyash-based mortar on moderate acid environment
CN112723854A (zh) 一种多矿物废料复合掺合料制备方法
Tarinejad et al. Experimental investigation of soft soil stabilization using copper slag-based geopolymer
CN111825356A (zh) 一种基于物理球磨和化学改性协同强化砖混粉料的高活性再生辅助胶凝材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant