CN115677301B - 一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 - Google Patents
一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115677301B CN115677301B CN202211440774.7A CN202211440774A CN115677301B CN 115677301 B CN115677301 B CN 115677301B CN 202211440774 A CN202211440774 A CN 202211440774A CN 115677301 B CN115677301 B CN 115677301B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cement
- parts
- building material
- particles
- based building
- 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.)
- Active
Links
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 75
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 239000004566 building material Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 67
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000003469 silicate cement Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000008399 tap water Substances 0.000 claims abstract description 15
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 claims abstract description 15
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 20
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 15
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 15
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 12
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 9
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 9
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 claims description 9
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 9
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 8
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 8
- 229920005646 polycarboxylate Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 6
- 239000001866 hydroxypropyl methyl cellulose Substances 0.000 claims description 6
- 229920003088 hydroxypropyl methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 6
- 235000010979 hydroxypropyl methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 6
- UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N hydroxypropyl methyl cellulose Chemical compound OC1C(O)C(OC)OC(CO)C1OC1C(O)C(O)C(OC2C(C(O)C(OC3C(C(O)C(O)C(CO)O3)O)C(CO)O2)O)C(CO)O1 UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 6
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H aluminium sulfate (anhydrous) Chemical compound [Al+3].[Al+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 3
- 239000004035 construction material Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- RAFRTSDUWORDLA-UHFFFAOYSA-N phenyl 3-chloropropanoate Chemical compound ClCCC(=O)OC1=CC=CC=C1 RAFRTSDUWORDLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims description 2
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 claims description 2
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 claims description 2
- 125000001033 ether group Chemical group 0.000 claims description 2
- PSZYNBSKGUBXEH-UHFFFAOYSA-M naphthalene-1-sulfonate Chemical compound C1=CC=C2C(S(=O)(=O)[O-])=CC=CC2=C1 PSZYNBSKGUBXEH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 239000004816 latex Substances 0.000 claims 1
- 229920000126 latex Polymers 0.000 claims 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 31
- 230000036571 hydration Effects 0.000 abstract description 5
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000002916 wood waste Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 abstract 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 abstract 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 8
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 4
- DCNHVBSAFCNMBK-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1-sulfonic acid;hydrate Chemical compound O.C1=CC=C2C(S(=O)(=O)O)=CC=CC2=C1 DCNHVBSAFCNMBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052625 palygorskite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 229960000892 attapulgite Drugs 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 description 3
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 2
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910021487 silica fume Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000011038 discontinuous diafiltration by volume reduction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000009415 formwork Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- PSZYNBSKGUBXEH-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1-sulfonic acid Chemical class C1=CC=C2C(S(=O)(=O)O)=CC=CC2=C1 PSZYNBSKGUBXEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete
Landscapes
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Abstract
一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法，本发明涉及3D打印水泥基建筑材。它是要解决现有3D打印水泥基材料存在的流变性调控困难、收缩变形大以及碳排放量高的技术问题。本发明的水泥基建筑材料包括改性农业废弃物颗粒、硅酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料、自来水、高效减水剂和抗裂纤维。制法：将木质废弃物热解后浸渍吸收水化促进剂，然后与其它原材料混合均匀，得到3D打印水泥基建筑材料，挤出成型后，得到水泥基建筑体。本发明的3D打印水泥基建筑材料比传统材料的收缩率降低50%以上，静态屈服应力增长速度提高1倍以上，2小时后静态屈服应力值大于1000Pa，碳排放量低，可用于建筑领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料及其制备方法。
背景技术
鉴于建筑行业面临资源消耗大、高度依赖劳动力等问题，传统建造方式正在发生深刻变革，近年来新兴3D打印（增材制造）技术在土木工程领域受到重视和发展。虽然3D打印建造具有快捷高效、节约资源、适用复杂建筑曲面等显著优势，其实际应用中依然存在着一些难题亟待解决。
第一个难点是材料的触变性调控，理想的3D打印混合料需要在输送和挤出过程中有较好的流动性，而挤出后能快速形成足够的静态屈服应力，以保证结构堆积的形状稳定以抵抗变形；这种浆体流变行为依赖于时间而发生变化的特点被称为“触变性”，理想的可打印混合料应具有较高的触变性。第二个难点是早期收缩变形大，早期收缩变形是指水泥基材料在凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，具体可分为塑性收缩、干燥收缩、自收缩、碳化收缩等，如果收缩变形过大，则容易导致材料开裂；一般认为，收缩变形主要发生在由水泥和水组成的水泥浆体，而作为骨料的河砂、细石部分的收缩几乎可以忽略不计；与传统水泥混凝土相比，3D打印水泥基材料配合比中的胶凝材料用量通常更高，骨料用量较低，所以收缩变形比传统水泥基材料更大，并且由于没有模板覆盖导致水分蒸发速度较快，这些因素导致了材料的早期收缩变形更大、容易诱发开裂。
另一方面，尽管通过3D打印技术能降低建造过程中的碳排放量，但是由于配合比变化和胶凝材料用量的提高，水泥生产时会排放出大量的二氧化碳气体并破坏生态环境，材料自身的碳排放反而有所增加。结合“双碳”战略，有必要对现有3D打印水泥基材料进行创新升级，降低其生命周期内的碳排放量，充分发挥环境友好的社会效益。
发明内容
本发明是要解决现有3D打印水泥基材料存在的流变性调控困难、收缩变形大、以及碳排放量较高的技术问题，而提供一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法，具有触变性强、收缩率低、能够实现长效碳封存的特点，可显著提高材料的早期性能和绿色化程度。
本发明的利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料按照质量份数比包括100~300份改性农业废弃物颗粒、700~900份硅酸盐水泥、0~100份硫铝酸盐水泥、50~200份纳米硅微粉、800~2000份骨料、200~600份自来水、5~30份高效减水剂、0~5份粘度改善剂和1~3份抗裂纤维。
更进一步地，所述的改性农业废弃物颗粒的制备方法按以下步骤进行：
一：农业废弃物初料的制备：将木质废弃物在40~80℃条件下烘干，然后在300~700℃无氧环境下热解2~6小时，得到条状或片状生物炭；自然冷却之后，用破碎机将生物炭粉碎至粒径为1~5mm，得到块状生物炭颗粒；其中木质废弃物为秸秆、落叶、果壳、枯树枝中的一种或几种的组合；
二：农业废弃物颗粒的改性：将块状生物炭颗粒烘干后置于容器中，加入水化促进剂溶液，封闭容器后抽真空，使容器内部压力降至0.2MPa以下并维持1~3小时，期间持续振荡容器，使颗粒充分浸渍吸收；过滤去除多余的溶液，将固相物烘干后，磨细，得到粒径为150μm以下的改性农业废弃物颗粒。
步骤二所述水化促进剂溶液为质量百分浓度10%~20%的硫酸铝溶液或质量百分浓度20%~40%的亚硝酸钙溶液；
步骤二所述的烘干是将固相物在40~60℃条件下干燥24~48小时；
更进一步地，所述的硅酸盐水泥，其强度等级≥42.5，混合材含量≤20%，比表面积>300m2/kg；所述的纳米硅微粉，其火山灰活性指数≥105%，二氧化硅含量≥90%，粒度分布指标D90<10μm；上述指标能够使硅灰与硅酸盐水泥之间形成理想的颗粒级配，充分发挥硅灰的填充效应和化学活性，减少材料内部孔隙并提高早期强度。
更进一步地，所述的骨料为粒径2.5mm以下石英砂或河砂，其堆积休止角应满足大于35°，以保证松散骨料内部具有较大的内摩擦力，使混合料在初始状态即有一定的静态屈服应力。
更进一步地，所述的高效减水剂为醚类聚羧酸盐或萘磺酸盐；醚类聚羧酸盐和萘磺酸盐两者不可组合使用；目的是保证混合料在输送过程中有较好的流动性。
更进一步地，所述的粘度改善剂为可再分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素、聚氧化乙烯中的一种或几种组合；粘度改善剂保证混合料在挤出过程中具有一定黏性以保证出料连续不间断。
更进一步地，所述的抗裂纤维为短切聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤维，目的是增强3D打印水泥基材料的界面抗拉强度，抑制材料界面和基体中的裂缝产生。
上述的利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料的制备方法，按以下步骤进行：
一、按质量份数比称取100~300份改性农业废弃物颗粒、700~900份硅酸盐水泥、0~100份硫铝酸盐水泥、50~200份纳米硅微粉、800~2000份骨料、200~600份自来水、5~30份高效减水剂、0~5份粘度改善剂和1~3份抗裂纤维；
二、将改性农业废弃物颗粒和硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料混合均匀后，再加入自来水、高效减水剂、粘度改善剂搅拌3~5分钟，在搅拌期间分批加入抗裂纤维令其均匀分散，得到3D打印水泥基建筑材料。
上述的利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料的应用方法，按以下步骤进行：将3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20±1℃，湿度60±5%的环境下预养护6~24小时；然后移入温度20±1℃，湿度60±5%，二氧化碳浓度>99%的环境下养护12~24小时，得到水泥基建筑体。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、改性农业废弃物颗粒具有大量纳米级孔隙和表面活性官能团，在混合料搅拌阶段能够充分吸附水分，材料硬化过程中这些被吸附的水分又会随着内部湿度的降低而释放，起到内养护效果，因此掺入改性农业废弃物颗粒后3D打印水泥基材料干燥收缩率可减小50%以上，大大降低了早期变形开裂的风险。
2、利用改性农业废弃物颗粒作为水化促进剂的负载体，占胶凝材料质量的10%~30%，有效减缓了后者的溶解和扩散速率，使混合料在早期输送和挤出过程中依然保持较好的流动性，而打印完成后水化促进剂再逐渐发挥作用，此时混合料静态屈服应力快速增长，拌合后2小时内达1000Pa以上，材料的堆积和形状稳定性大幅提高，改性农业废弃物颗粒对水泥基材料起内养护功能，大大减少了收缩开裂现象。本发明的利用改性农业废弃物颗粒制备的3D打印水泥基建筑材料比传统3D打印水泥基建筑材料的收缩率降低50%以上，静态屈服应力的增长速度提高1倍以上，2小时后静态屈服应力值大于1000Pa。
3、改性农业废弃物中大量的生物质炭被固定封存在3D打印水泥基材料内部，避免二氧化碳产生和循环进入大气圈，降低了材料生命周期内碳排放量。
4、材料养护过程中实现了对二氧化碳的捕集和再利用。
本发明可用于建筑领域。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例中利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料制备方法，按以下步骤进行：
制备改性农业废弃物颗粒：
（1）收集1kg废弃玉米秸秆，在60℃条件下烘干，然后在600℃无氧环境下热解4小时并自然冷却，获得条状生物炭，用破碎机处理后形成尺寸3mm左右的块状颗粒；
（2）称取260g块状颗粒置于容器内，加入1.0kg质量百分浓度为30%的亚硝酸钙溶液，封闭容器后抽真空使内压降至0.1MPa并维持2小时，期间以60Hz频率持续振荡容器使颗粒充分浸渍吸收；然后过滤去除多余的溶液，固相物在60℃条件下烘干残留物，获得质量为292.8g的块状颗粒；再用电动打粉机将块状颗粒进一步磨细，并通过140目筛网，得到粒径为150μm以下的改性农业废弃物颗粒；
二、称取280g改性农业废弃物颗粒、800g硅酸盐水泥、60g硫铝酸盐水泥、50g纳米硅微粉、800g骨料、300g自来水、5.0g醚类聚羧酸盐减水剂、1.0g可再分散乳胶粉、2g短切聚丙烯纤维；
其中硅酸盐水泥，其强度等级为42.5，混合材含量为20%，比表面积为350m2/kg；
纳米硅微粉，其火山灰活性指数110%，二氧化硅含量93%，粒度分布指标D90为5.6μm；骨料为粒径为0.15~2.5mm的河砂，河砂的堆积休止角为38.6°；
三、将改性农业废弃物颗粒、硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料混合均匀后，再加入自来水、醚类聚羧酸盐减水剂、可再分散乳胶粉搅拌3分钟，在搅拌期间分批加入短切聚丙烯纤维令其均匀分散，得到3D打印水泥基建筑材料。
将本实施例制备的3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20℃，湿度60%的环境下预养护12小时；然后移入温度20℃，湿度60%，二氧化碳浓度为99.5%的环境下养护24小时，得到水泥基建筑体。将水泥基建筑体转移至温度20℃、湿度60%的环境下存放。
本实施例中纳米硅微粉与硅酸盐水泥之间形成理想的颗粒级配，充分发挥纳米硅微粉的填充效应和化学活性，由于硅微粉的颗粒细度远小于水泥，前者可以填充后者堆积的孔隙，因此两者组合后孔隙率将大大降低，提高填充效果和早期强度。
测试本实施例制备的3D打印水泥基建筑材料制备完成后的静态屈服应力值，即初始静态屈服应力值。对3D打印后得到的水泥基建筑体进行2小时后静态屈服应力值、7天龄期收缩率、28天龄期收缩率测试和理论碳封存量计算，列于表1中。
实施例2：本实施例的利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料制备方法，按以下步骤进行：
一、制备改性农业废弃物颗粒：
（1）收集800g废弃枯树枝，在70℃条件下烘干，然后在500℃无氧环境下热解6小时并自然冷却，获得条状生物炭，用破碎机处理后形成尺寸2mm左右的块状颗粒；
（2）称取200g块状颗粒置于容器内，加入1.2kg质量百分浓度为20%的硫酸铝溶液，封闭容器后抽真空使内压降至0.1MPa并维持2小时，期间以100Hz频率持续振荡容器使颗粒充分浸渍吸收；然后过滤去除多余的溶液，固相物在60℃条件下烘干残留物，获得质量为217.3g的块状颗粒；再用电动打粉机将块状颗粒进一步磨细，并通过140目筛网，得到粒径为150μm以下的改性农业废弃物颗粒；
二、称取190g改性农业废弃物颗粒、900g硅酸盐水泥、60g纳米硅微粉、1300g骨料、400g自来水、12g萘磺酸盐减水剂、1.0g羟丙基甲基纤维素、2g聚乙烯醇纤维；
其中硅酸盐水泥，其强度等级为42.5，混合材含量为20%，比表面积为350m2/kg；
纳米硅微粉，其纳米硅微粉，其火山灰活性指数123%，二氧化硅含量98%，粒度分布指标D90为3.7μm；骨料为粒径为0.075~2.5mm的河砂，河砂的堆积休止角为37.1°；
三、将改性农业废弃物颗粒、硅酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料混合均匀后，再加入自来水、萘磺酸盐减水剂、羟丙基甲基纤维素搅拌3分钟，在搅拌期间分批加入聚乙烯醇纤维令其均匀分散，得到3D打印水泥基建筑材料。
将本实施例制备的3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20℃，湿度60%的环境下预养护18小时；然后移入温度20℃，湿度60%，二氧化碳浓度为99.5%的环境下养护18小时，得到水泥基建筑体。将水泥基建筑体转移至温度20℃、湿度60%的环境下存放。
本实施例中纳米硅微粉与硅酸盐水泥之间形成理想的颗粒级配，充分发挥纳米硅微粉的填充效应和化学活性，减少材料内部孔隙并提高早期强度。测试本实施例制备的3D打印水泥基建筑材料制备完成后的静态屈服应力值，即初始静态屈服应力值。对3D打印后得到的水泥基建筑体进行2小时后静态屈服应力值、7天龄期收缩率、28天龄期收缩率测试和理论碳封存量计算，列于表1中。
对比例1：本对比例为传统3D打印水泥基建筑材料，其制备方法如下：
一、称取800g硅酸盐水泥、140g粒化高炉矿渣粉、90g石灰石粉、10g凹凸棒土、1300g骨料、380g自来水、6g醚类聚羧酸盐减水剂、5g聚丙烯纤维；
其中硅酸盐水泥的强度等级为52.5，混合材含量为0，比表面积为370m2/kg；
凹凸棒土的细度为2000目，坡缕石矿物含量为70%；
骨料为粒径为0.075~2.5mm的机制砂，机制砂的堆积休止角为39.2°；
将硅酸盐水泥、粒化高炉矿渣粉、石灰石粉、凹凸棒土、骨料混合均匀后，再加入自来水、醚类聚羧酸盐减水剂搅拌3分钟，在搅拌期间分批加入聚丙烯纤维令其均匀分散，得到传统3D打印水泥基建筑材料。
将本对比例1制备的传统3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20℃，湿度60%的环境下预养护18小时；然后移入温度20℃，湿度60%，二氧化碳浓度为99.5%的环境下养护18小时，得到传统3D打印水泥基建筑体。将水泥基建筑体转移至温度20℃、湿度60%的环境下存放。
测试本对比例1制备的传统3D打印水泥基建筑材料制备完成后的静态屈服应力值，即初始静态屈服应力值。对3D打印后得到的水泥基建筑体进行2小时后静态屈服应力值、7天龄期收缩率、28天龄期收缩率测试和理论碳封存量计算，列于表1中。
对比例2：本对比例与实施例2不同的是不添加改性农业废弃物，具体方法如下：
一、称取900g硅酸盐水泥、60g纳米硅微粉、1300g骨料、400g自来水、12g萘磺酸盐减水剂、1.0g羟丙基甲基纤维素、2g聚乙烯醇纤维；
其中硅酸盐水泥，其强度等级为42.5，混合材含量为20%，比表面积为350m2/kg；
纳米硅微粉，其纳米硅微粉，其火山灰活性指数123%，二氧化硅含量98%，粒度分布指标D90为3.7μm；骨料为粒径为0.075~2.5mm的河砂，河砂的堆积休止角为37.1°；
三、将硅酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料混合均匀后，再加入自来水、萘磺酸盐减水剂、羟丙基甲基纤维素搅拌3分钟，在搅拌期间分批加入聚乙烯醇纤维令其均匀分散，得到对比3D打印水泥基建筑材料。
将对比例2制备的对比3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20℃，湿度60%的环境下预养护18小时；然后移入温度20℃，湿度60%，二氧化碳浓度为99.5%的环境下养护18小时，得到对比水泥基建筑体。将对比水泥基建筑体转移至温度20℃、湿度60%的环境下存放。
测试本对比例2制备的对比3D打印水泥基建筑材料制备完成后的静态屈服应力值，即初始静态屈服应力值。对3D打印后得到的对比水泥基建筑体进行2小时后静态屈服应力值、7天龄期收缩率、28天龄期收缩率测试和理论碳封存量计算，列于表1中。
实施例1、2以及对比例1、2的静态屈服应力和收缩率测试，其中，静态屈服应力值测试以0.01s-1恒定剪切速率进行；收缩率的测试按照JGJ/70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的规定执行，试件龄期36小时开始测量初始长度。碳封存量是通过生命周期评估方法测算，以验证其对于收缩率和固碳能力的改善效果。结果如表1。
表1 材料的收缩率和固碳量
由表1结果可见，实施例1制备的3D打印水泥基建筑材料混合料在打印前具有较低的静态屈服应力，初始静态屈服应力实测值307.5Pa；打印完成后静态屈服应力快速增长，2小时后静态屈服应力测试值为1983.1Pa。
实施例2制备的3D打印水泥基建筑材料混合料在打印前具有较低的静态屈服应力，初始静态屈服应力实测值280.1Pa；打印完成后静态屈服应力快速增长，2小时后静态屈服应力测试值为2217.9Pa。
实施例1、2利用改性农业废弃物颗粒制备的3D打印水泥基建筑材料，可使收缩率降低50%以上，静态屈服应力的增长速度提高1倍以上，2小时后静态屈服应力值大于1000Pa，同时具有显著的碳封存效果。
因此，这种利用改性农业废弃物的3D打印水泥基建筑材料能够大大降低收缩开裂的风险，改善材料早期性能，进一步提高建筑工程的绿色化程度。
Claims (8)
1.一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于该材料按照质量份数为100~300份改性农业废弃物颗粒、700~900份硅酸盐水泥、0~100份硫铝酸盐水泥、50~200份纳米硅微粉、800~2000份骨料、200~600份自来水、5~30份高效减水剂、0~5份粘度改善剂和1~3份抗裂纤维；
其中改性农业废弃物颗粒的制备方法如下：
（1）收集1kg废弃玉米秸秆，在60℃条件下烘干，然后在600℃无氧环境下热解4小时并自然冷却，获得条状生物炭，用破碎机处理后形成尺寸3mm左右的块状颗粒；
（2）称取260g块状颗粒置于容器内，加入1.0kg质量百分浓度为30%的亚硝酸钙溶液，封闭容器后抽真空，期间以60Hz频率持续振荡容器使颗粒充分浸渍吸收；然后过滤去除多余的溶液，固相物在60℃条件下烘干残留物，获得质量为292.8g的块状颗粒；再用电动打粉机将块状颗粒进一步磨细，并通过140目筛网，得到粒径为150μm以下的改性农业废弃物颗粒；
或者改性农业废弃物颗粒的制备方法如下：
（1）收集800g废弃枯树枝，在70℃条件下烘干，然后在500℃无氧环境下热解6小时并自然冷却，获得条状生物炭，用破碎机处理后形成尺寸2mm左右的块状颗粒；
（2）称取200g块状颗粒置于容器内，加入1.2kg质量百分浓度为20%的硫酸铝溶液，封闭容器后抽真空，期间以100Hz频率持续振荡容器使颗粒充分浸渍吸收；然后过滤去除多余的溶液，固相物在60℃条件下烘干残留物，获得质量为217.3g的块状颗粒；再用电动打粉机将块状颗粒进一步磨细，并通过140目筛网，得到粒径为150μm以下的改性农业废弃物颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于，所述的硅酸盐水泥，其强度等级≥42.5，混合材含量≤20%，比表面积>300m2/kg；所述的纳米硅微粉，其火山灰活性指数≥105%，二氧化硅含量≥90%，粒度分布指标D90<10μm。
3.根据权利要求1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于，所述的骨料为粒径2.5mm以下石英砂或河砂，其堆积休止角大于35°。
4.根据权利要求1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于，所述的高效减水剂为醚类聚羧酸盐或萘磺酸盐。
5.根据权利要求1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于，所述的粘度改善剂为可再分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素、聚氧化乙烯中的一种或其中几种的组合。
6.根据权利要求1或2所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料，其特征在于，所述的抗裂纤维为短切聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤维。
7.制备权利要求 1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、按质量份数比称取100~300份改性农业废弃物颗粒、700~900份硅酸盐水泥、0~100份硫铝酸盐水泥、50~200份纳米硅微粉、800~2000份骨料、200~600份自来水、5~30份高效减水剂、0~5份粘度改善剂和1~3份抗裂纤维；
二、将改性农业废弃物颗粒和硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、纳米硅微粉、骨料混合均匀后，再加入自来水、高效减水剂、粘度改善剂搅拌3~5分钟，在搅拌期间分批加入抗裂纤维令其均匀分散，得到3D打印水泥基建筑材料。
8.权利要求 1所述的一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3D打印水泥基建筑材料的使用方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
将3D打印水泥基建筑材料通过3D打印机挤出成型，置于温度20±1℃，湿度60±5%的环境下预养护6~24小时；然后移入温度20±1℃，湿度60±5%，二氧化碳浓度>99%的环境下养护12~24小时，得到水泥基建筑体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211440774.7A CN115677301B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211440774.7A CN115677301B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115677301A CN115677301A (zh) | 2023-02-03 |
| CN115677301B true CN115677301B (zh) | 2024-01-19 |
Family
ID=85054612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211440774.7A Active CN115677301B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115677301B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106186974A (zh) * | 2016-07-11 | 2016-12-07 | 南京理工大学 | 一种用于3d打印的绿色建筑材料及其打印方法 |
| CN110317027A (zh) * | 2019-07-01 | 2019-10-11 | 成都建工赛利混凝土有限公司 | 一种低收缩3d打印砂浆及其制备方法 |
| CN111377653A (zh) * | 2018-12-31 | 2020-07-07 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 一种水泥混凝土用高效抗裂剂及其制备方法和应用 |
| CN114436578A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-05-06 | 东南大学 | 一种控释快凝功能颗粒及其在3d打印水泥基材料中的应用 |
| CN114538850A (zh) * | 2022-03-09 | 2022-05-27 | 南京工业大学 | 一种基于生物炭内碳化的固废基轻骨料及其制备方法 |
| CN114685090A (zh) * | 2020-12-30 | 2022-07-01 | 博特新材料泰州有限公司 | 一种缓控释早强复合材料、制备方法和其在水泥基材料中的应用 |
| CN114988742A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-02 | 重庆交通大学 | 一种缓释长效型抗凝冰材料及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK3260258T3 (da) * | 2016-06-22 | 2019-09-23 | Holcim Technology Ltd | Online-styring af reologien af byggemateriale til 3D-printning |
-
2022
- 2022-11-17 CN CN202211440774.7A patent/CN115677301B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106186974A (zh) * | 2016-07-11 | 2016-12-07 | 南京理工大学 | 一种用于3d打印的绿色建筑材料及其打印方法 |
| CN111377653A (zh) * | 2018-12-31 | 2020-07-07 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 一种水泥混凝土用高效抗裂剂及其制备方法和应用 |
| CN110317027A (zh) * | 2019-07-01 | 2019-10-11 | 成都建工赛利混凝土有限公司 | 一种低收缩3d打印砂浆及其制备方法 |
| CN114685090A (zh) * | 2020-12-30 | 2022-07-01 | 博特新材料泰州有限公司 | 一种缓控释早强复合材料、制备方法和其在水泥基材料中的应用 |
| CN114436578A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-05-06 | 东南大学 | 一种控释快凝功能颗粒及其在3d打印水泥基材料中的应用 |
| CN114538850A (zh) * | 2022-03-09 | 2022-05-27 | 南京工业大学 | 一种基于生物炭内碳化的固废基轻骨料及其制备方法 |
| CN114988742A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-02 | 重庆交通大学 | 一种缓释长效型抗凝冰材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 生物炭对混凝土力学性能与收缩性能的影响;雷源等;四川建材;第47卷(第4期);第15页右栏第2段、第3段以及第16页右栏第3段 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115677301A (zh) | 2023-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109095836B (zh) | 一种用于3d打印建造的再生粉体混凝土及制备方法 | |
| CN112028564B (zh) | 一种利用co2强化再生粉体制备的再生混凝土砌块 | |
| CN111116142B (zh) | 一种利用建筑弃土烧结微粉制备的生态混凝土及其混凝土制品的制备方法 | |
| CN113955996B (zh) | 一种相变抗裂混凝土及其制备方法 | |
| CN111099866B (zh) | 一种利用植物纤维改性弃土制备的保温砌块及其制备方法 | |
| CN113354342A (zh) | 一种再生微粉混凝土及其制备方法 | |
| CN115477503B (zh) | 一种再生环保型混凝土及其制备工艺 | |
| CN114605121B (zh) | 一种钨尾矿蒸压加气混凝土及其制备方法 | |
| CN115340329A (zh) | 再生细骨料-氧化镁基膨胀剂超高性能混凝土及其制备方法 | |
| CN113912352B (zh) | 一种绿色轻质保温砂浆 | |
| CN112759343B (zh) | 一种固废基低碱度多孔生态透水混凝土及其制备方法 | |
| CN110451876B (zh) | 一种建筑垃圾废弃砖为载体的自修复混凝土及其制备方法 | |
| CN115677301B (zh) | 一种利用农业废弃物的低收缩高固碳量3d打印水泥基建筑材料及其制备和应用方法 | |
| CN116639935A (zh) | 一种无掺和料的低热水泥混凝土及其制备方法 | |
| CN111072370A (zh) | 一种利用尾矿生产高强度烧结空心砖的工艺 | |
| WO2023226321A1 (zh) | 一种填埋场覆土用改性市政污泥及其制备方法 | |
| CN115448659B (zh) | 一种基于早期碳化和早期干湿循环耦合作用的固废不锈钢渣再生混凝土及其制备方法 | |
| CN108395264B (zh) | 一种碳素炉窑用再生砖及其制备方法 | |
| CN110845188A (zh) | 一种无砂大孔混凝土及其制备方法 | |
| CN114085055B (zh) | 一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土及其制备方法 | |
| CN111848037B (zh) | 用于制备瓦板岩尾矿砖的组合物、尾矿砖及其制备方法 | |
| CN114591013A (zh) | 一种河道淤泥人造集料及其制备方法 | |
| CN103613342A (zh) | 一种利用建筑废弃物制备mu7.5再生实心砖的方法 | |
| CN112624697A (zh) | 一种基于改性石英石粉的减缩混凝土及其制备方法 | |
| CN109574599A (zh) | 一种环保耐久型建筑材料 |
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 |