CN111302742A - 一种基于再生玻璃砂的可3d打印uhpc及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化领域，尤其涉及一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC及制备方法。该基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，以重量份计，包括以下组分：水泥：700‑900份；硅灰：150‑270份；粉煤灰：150‑250份；再生玻璃砂：800‑1000份；钢纤维：8‑19份；减水剂：9.2‑18.1份；纳米黏土：3.9‑11.5份；纤维素：0.8‑4.7份；水：150‑350份。该基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC克服了现有建筑3D打印材料力学性能和耐久性能低的缺陷。同时，该3D打印UHPC使用了再生玻璃砂、硅灰、粉煤灰，实现了废弃物的资源再生利用，具有较高的环境效益和社会效益。

Description

一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC及制备方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化领域，尤其涉及一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC及制备方法。
背景技术
3D打印混凝土是一种以混凝土为油墨材料，将3D打印技术运用于建筑工程领域的智能建造技术。3D打印技术是通过将材料进行逐层叠加的方式来完成实体结构的制造，具有无需模具、缩短制造周期、降低成本等优点。3D打印技术在建筑领域的应用不仅可以大大降低建造成本、提高建造效率，还能提高建造的安全性、稳定性和精确性，同时也使得复杂的建造形式成为可能。
然而，目前大多数的建筑3D打印都停留在实验室阶段。究其原因，在于目前所使用的建筑3D打印油墨多以砂浆为主，所打印构件的力学性能和耐久性能都较低，不能达到现有建筑使用标准，从而制约了建筑3D打印的实际应用。
同时，我国仍处于基础建设的高峰时期，建材需求量和建筑废弃物排放量都巨大，这不仅消耗了大量的自然资源，还造成了不可估量的环境污染。此外，废弃玻璃的处理也是我国面临的一大难题，若将将废弃玻璃按不同尺度分级磨碎再重新组合，获得颗粒级配满足UHPC匀质性和最佳密度要求的再生玻璃砂，用于替代石英砂，作为建筑材料运用到3D打印中，既能节约资源又能减少污染，将给建筑3D打印行业和废弃物资源化行业的进一步发展带来契机。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC(超高性能混凝土)及制备方法，克服了现有建筑3D打印材料力学性能和耐久性能低的缺陷。同时，该3D打印UHPC使用了再生玻璃砂、硅灰、粉煤灰，实现了废弃物的资源再生利用，具有较高的环境效益和社会效益。
具体的，本发明的技术方案如下：
本发明第一个方面公开了一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，以重量份计，包括以下组分：
水泥：700-900份；
硅灰：150-270份；
粉煤灰：150-250份；
再生玻璃砂：800-1000份；
钢纤维：8-19份；
减水剂：9.2-18.1份；
纳米黏土：3.9-11.5份；
纤维素：0.8-4.7份；
水：150-350份。
优选的，所述水泥为P.I 62.5级硅酸盐水泥，其与聚羧酸系减水剂相容性良好；所述硅灰符合CAN/CSA A3000标准的规定；所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰。
优选的，所述再生玻璃砂由废弃玻璃破碎、磨制得到，在磨制时分3个尺度区间：S1尺度区间的粗砂，粒径在320-600微米之间；S2尺度区间的中砂，粒径在160-320微米之间；S3尺度区间的细砂，粒径在80-160微米之间；
优选的，所述再生玻璃砂二氧化硅含量为72.3％，氧化钠含量为15.2％，密度为2.63g/cm3，坚固性指标小于5.0％。
优选的，所述S1、S2、S3尺度区间再生玻璃砂的组合方式是基于Sedran和DeLarrard方程(参考文献Larrard F D,Sedran T.Optimization of ultra-high-performance concrete by the use of a packing model[J].Cement and ConcreteResearch,1994,24(6):997-1009)计算三元组合堆积密度后，得到最佳堆积密度的组合方式；优选的，该组合方式的各尺度区间的比例为S1：S2：S3＝1.6:5.3:3.1。
优选的，所述按最佳堆积密度组合方式组合的再生玻璃砂，其颗粒级配接近优质石英砂集配，满足配置高性能混凝土的用砂标准。
优选的，所述钢纤维为镀铜平直钢纤维，直径为0.19mm-0.23mm，长度为6mm-18mm，抗拉强度为2500Mpa-3000MPa。
优选的，所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，包括以下条件中任意一项或多项：
1)所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，密度为1.09g/cm3，固含量为40％；
2)所述纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；
3)所述纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素。
4)所述水为自来水。
本发明第二个方面公开了一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC的制备方法，包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、再生玻璃砂、钢纤维、纳米黏土、纤维素按比例混合并搅拌至均匀得到混合物一；步骤二，将减水剂与水按比例混合均匀并分三次加入混合物一中搅拌至均匀，即得一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC拌合料。
优选的，步骤一和步骤二中，搅拌的条件为：搅拌速度为650-1000rpm，搅拌时间为3-10min。
所述得到的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC拌合料进行了鲜拌状态下的流动度和屈服应力测试，并进行了打印质量、形状稳定性和打印窗口评估，用于确保其满足可3D打印的要求。
所述得到的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC拌合料进行了28天硬化状态下的力学性能测试和耐久性能评估，用于确保其满足高性能混凝土要求。
本发明第三个方面公开了上述一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC或上述的制备方法在3D打印领域和再生材料领域中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，而不超出本发明的构思与保护范围。
本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果：
本发明通过将再生玻璃砂进行多尺度磨制并采用Sedran和De Larrard方程计算，以获得特定的颗粒组合，实现最佳堆积密度，使得优化后的再生玻璃砂集配接近优质石英砂集配，从而满足配置高性能混凝土的用砂标准。同时，辅以添加剂进行调节，使得该种材料满足建筑3D打印油墨可泵送性、可挤出性和可建造性的要求，得到又一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，具有较高的环境效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。本发明所用试剂和原料均市售可得。
实施例1
一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，以重量份计，包括以下组分：水泥800份、硅灰200份、粉煤灰200份、50-150微米再生玻璃砂160份、150-350微米再生玻璃砂530份、350-650微米再生玻璃砂310份、份钢纤维15份、减水剂15.3份、纳米黏土8.7份、纤维素2.1份、水275份。
其中，水泥为P.I 62.5级硅酸盐水泥；硅灰符合CAN/CSA A3000标准规定；粉煤灰为I级低钙粉煤灰；再生玻璃砂二氧化硅含量为72.3％，氧化钠含量为15.2％，密度为2.63g/cm3，坚固性指标小于5.0％，按最佳堆积密度组合方式组合，颗粒级配接近优质石英砂，满足配置高性能混凝土的用砂标准；钢纤维为镀铜平直钢纤维，直径为0.2mm，长度为6mm-18mm等多种长度，抗拉强度为2800MPa；减水剂为聚羧酸减水剂，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉，纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为普通自来水。
上述一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、再生玻璃砂、钢纤维、纳米黏土、纤维素按比例混合并搅拌至均匀得到混合物一；步骤二，将减水剂与水按比例混合均匀并分三次加入混合物一中搅拌至均匀，即得一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC拌合料。其中，步骤一、和二中，搅拌的条件为：搅拌速度为650-1000rpm，搅拌时间为3-10min。
对照例1
一种基于石英砂的可3D打印UHPC，以重量份计，包括以下组分：水泥800份、硅灰200份、粉煤灰200份、石英砂1000份、钢纤维15份、减水剂15.3份、纳米黏土8.7份、纤维素2.1份、水275份。
其中，水泥为P.I 62.5级硅酸盐水泥；硅灰符合CAN/CSA A3000标准规定；粉煤灰为I级低钙粉煤灰；石英砂为优质石英砂，级配良好，SiO2含量大于96％，最大粒径为600微米，符合UHPC配置的用砂标准；钢纤维为镀铜平直钢纤维，直径为0.2mm，长度为6mm-18mm等多种长度，抗拉强度为2800MPa；减水剂为聚羧酸减水剂，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉，纤维素为羧丙基甲基纤维素；水为普通自来水。
上述一种基于石英砂的可3D打印UHPC的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、钢纤维、纳米黏土、纤维素按比例混合并搅拌至均匀得到混合物一；步骤二，将减水剂与水按比例混合均匀并分三次加入混合物一中搅拌至均匀，即得一种基于石英砂的可3D打印UHPC拌合料。其中，步骤一、和二中，搅拌的条件为：搅拌速度为650-1000rpm，搅拌时间为3-10min。
对照例2
一种普通建筑3D打印砂浆，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂1000份、减水剂1.5份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、水370份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25mm-0.35mm，天然细砂的含水率在4％-6％；减水剂为聚羧酸减水剂，葡萄糖酸钠为混凝土用葡萄糖酸钠，纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；水为普通自来水。上述普通建筑3D打印砂浆的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂、减水剂、葡萄糖酸钠、纳米黏土混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种普通建筑3D打印砂浆。其中，步骤一、二中，搅拌速度为800-1000rpm，搅拌时间为3-7min。
对照例3
一种普通建筑C30混凝土，以重量份计，包括以下组分：水泥461份、天然砂512份、石子1252份、水175份。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；天然砂为天然细砂，平均粒径为0.25mm-0.35mm，天然细砂的含水率在4％-6％；石子为普通碎石；水为普通自来水。上述普通建筑C30混凝土的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂和石子混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种普通建筑C30混凝土。其中，步骤一、二中，搅拌速度为500-1200rpm，搅拌时间为1-7min。
对照例4
一种建筑C100混凝土，以重量份计，包括以下组分：水泥568份、天然砂322份、石子625份、粉煤灰36份、硅灰22份、减水剂8份、水246份。其中，水泥为P.O 62.5级硅酸盐水泥；天然砂为天然河砂，细度模数为2.6-2.8，天然细砂的含水率在4％-6％；石子为质地坚硬粒形良好的石灰石与卵石混合；减水剂为聚羧酸减水剂；水为普通自来水。上述建筑C100混凝土的制备方法包括以下步骤：步骤一，将水泥、天然砂、石子、粉煤灰、硅灰、减水剂混合并搅拌至均匀；步骤二，将步骤一中的混合物与水混合并拌至均匀得一种建筑C100混凝土。其中，步骤一、二中，搅拌速度为500-1200rpm，搅拌时间为1-7min。
分别将实施例1配制的基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC和对照例1-4配制的基于石英砂的可3D打印UHPC、普通建筑3D打印再生砂浆、普通建筑C30混凝土和建筑C100混凝土，采用3D打印机按照具体设定的编程程序逐层打印或拌和浇筑的方式，得到各实施例和对照例构件样品。并对各构件样品进行养护，养护方式为标准养护，标准养护的温度为18-22℃，标准养护的湿度为90％-95％，标准养护的养护龄期为28天。除了材料不同以外，其他试验条件和养护方法完全相同。
对上述各构件样品进行力学性能、耐久性能及可3D打印性测试和评估，得到的试验和评估结果如表1和2所示。
表1力学性能和耐久性能评估
Figure BDA0002452699780000051
表2可3D打印性评估
Figure BDA0002452699780000061
通过表1和表2可知，实施例1得到的基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC性能明显优于对照组。
综上所述，本发明提供了一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC及制备方法，通过将再生玻璃砂进行多尺度磨制并采用Sedran和De Larrard方程计算，以获得特定的颗粒组合，实现最佳堆积密度，使得优化后的再生玻璃砂集配接近优质石英砂集配，从而满足配置高性能混凝土的用砂标准。同时，辅以添加剂进行调节，使得该种材料满足建筑3D打印油墨可泵送性、可挤出性和可建造性的要求，得到一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，具有较高的环境效益和社会效益。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
水泥：700-900份；
硅灰：150-270份；
粉煤灰：150-250份；
再生玻璃砂：800-1000份；
钢纤维：8-19份；
减水剂：9.2-18.1份；
纳米黏土：3.9-11.5份；
纤维素：0.8-4.7份；
水：150-350份。
2.根据权利要求1所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，所述水泥为P.I62.5级硅酸盐水泥，其与聚羧酸系减水剂相容性良好；所述硅灰符合CAN/CSA A3000标准规定；所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，优选的，所述再生玻璃砂由废弃玻璃破碎、磨制得到，在磨制时分3个尺度区间：S1尺度区间的粗砂，粒径在350-600微米之间；S2尺度区间的中砂，粒径在150-350微米之间；S3尺度区间的细砂，粒径在50-150微米之间；
优选的，所述再生玻璃砂二氧化硅含量为72.3％，氧化钠含量为15.2％，密度为2.2g/cm3，坚固性指标小于5.0％。
4.根据权利要求1所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，所述S1、S2、S3尺度区间再生玻璃砂的组合方式是基于Sedran和De Larrard方程计算三元组合堆积密度后，得到最佳堆积密度的组合方式；
优选的，该组合方式的各尺度区间的比例为S1：S2：S3＝1.6：5.3：3.1；
优选的，所述按最佳堆积密度组合方式组合的再生玻璃砂，其颗粒级配接近优质石英砂集配，满足配置超高性能混凝土的用砂标准。
5.根据权利要求1所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，所述钢纤维为镀铜平直钢纤维，直径为0.19mm-0.23mm，长度为6mm-18mm，抗拉强度为2500Mpa-3000MPa。
6.根据权利要求1所述的一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC，其特征在于，包括以下条件中任意一项或多项：
1)所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，密度为1.09g/cm3，固含量为40％；
2)所述纳米黏土为混凝土用纳米提纯凹凸棒黏土粉；
3)所述纤维素为羧丙基甲基纤维素或木质纤维素。
4)所述水为自来水。
7.一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、再生玻璃砂、钢纤维、纳米黏土、纤维素按比例混合并搅拌至均匀得到混合物一；步骤二，将减水剂与水按比例混合均匀并分三次加入混合物一中搅拌至均匀，即得到一种基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC拌合料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中的搅拌条件为：搅拌速度为650-1000rpm，搅拌时间为3-10min。
9.根据权利要求1-6任一项所述的基于再生玻璃砂的可3D打印UHPC或权利要求7-8任一项所述的制备方法在3D打印领域和再生材料领域中的应用。
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