CN115893959A - 一种3d打印沙漠砂超高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种3D打印沙漠砂超高延性混凝土及其制备方法，本发明超高延性混凝土使用沙漠砂完全替代石英砂，且砂胶比可达0.9，降低材料成本的同时减少对环境的影响，同时其拉伸应变能力可达9%，达到普通钢筋的应变水平，可以实现无钢筋的混凝土结构建造，适用于混凝土结构的3D打印领域。

Description

一种3D打印沙漠砂超高延性混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种3D打印沙漠砂超高延性混凝土及其制备方法。

背景技术

目前建筑用砂日益紧张，难以满足工程建设的大量需求，同时河沙的过度开采也造成了一定的环境和生态问题。与此同时，可作为工程用超细石英砂的重要来源。但由于沙漠砂的某些特性，其难以广泛用作配制普通混凝土的细骨料。首先，沙漠砂的粒径较小，一般在250μm以下。其次，沙漠砂的颗粒级配较差，这使得沙漠砂不同于普通的混凝土用砂。再者，沙漠砂表面具有较高的圆度和球度，这可能导致弱界面过渡区的产生。沙漠砂作为工程材料存在上述缺点，但如果能合理的将沙漠砂应用于工程建设领域将产生显著的经济与环境效益。

超高延性混凝土(Ultra-high Ductile Concrete，UHDC)通常采用超细石英砂作为细骨料进行制备，是一种具有优异的变形能力和微裂纹开裂特征的高性能混凝土材料，其极限拉伸应变值可达8%以上。为实现UHDC材料的应***化和稳态开裂行为，一般不添加粗骨料以降低基体的断裂韧度。沙漠砂的特性满足UHDC材料的制备要求，因此若能将沙漠砂应用于制备超高延性混凝土，则可减少石英砂及普通河沙的使用和开采。同时，利用沙漠砂可以降低成本、减少碳排放，达到保护自然环境的目的。

文献1（D. Meng, T. Huang, Y.X. Zhang, Mechanical behaviour of apolyvinyl alcohol fibre reinforced engineered cementitious composite (PVA-ECC) using local ingredients, Constr. Build. Mater. 2017, 141, 259-270.）中公布了一种采用聚乙烯醇（PVA）纤维制备沙漠砂混凝土的方法。该方法利用沙漠砂和PVA纤维制备了低成本、抗拉应变能力较低的沙漠砂高延性混凝土，其拉伸应变能力为0.45%-1.12%，远未达到高延性混凝土定义的拉伸应变（3%）。文献2（J.L. Che, Q.W. Li, M.G.Lee, D. Wang, Experimental research on mechanical properties of desert sandsteel-PVA fiber engineered cementitious composites, Functional materials,2017, 24, 584-592.）中公布了一种利用钢纤维和PVA纤维作为增强材料，砂胶比在0.36-0.42的沙漠砂高性能混凝土，但其拉伸应变能力依然小于3%，且沙漠砂的利用率较低。

上述技术存在的不足在于：（1）文献1中所制备的沙漠砂混凝土的拉伸应变能力为0.45%-1.12%，拉伸应变能力远低于3％，沙漠砂基复合材料不能保持饱和裂缝开裂特征。（2）文献2中所制备的沙漠砂混杂纤维混凝土的拉伸应变能力较低，且砂胶比为0.30、0.36、0.42，研究范围有限。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种价格低廉、性能优异、对环境友好的3D打印沙漠砂超高延性混凝土。

具体的，本发明3D打印沙漠砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥460-600份，粉煤灰500-720份，沙漠砂400-920份，聚丙烯纤维1-15份，聚乙烯纤维5-20份，水350-650份，减水剂3-5份，聚丙烯酰胺1-3份。

优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥42.5MPa。

优选的，所述粉煤灰为F类粉煤灰，粒径范围为50-400μm，其比表面积≥400m²/kg。

沙漠砂特性不同于常用的石英砂，对普通混凝土和特种混凝土影响较大，一般仅可部分替代天然细骨料制备混凝土，本发明针对沙漠砂进行大量试验，经过配方调整，制备出仅采用沙漠砂作为细骨料便可满足3D打印施工的超高延性混凝土。本发明将沙漠砂代替超细硅砂掺入到混凝土中，可以大大减少硅砂的消耗，有效解决硅砂资源匮乏的问题，此外，合理利用沙漠砂可以保护自然环境，减少碳排放。

优选的，所述聚丙烯纤维的长度为8-12mm，直径为10-20μm，长径比＞600，断裂延伸率为20-23%，抗拉强度＞800MPa。

优选的，所述聚乙烯纤维的长度为12-24mm，直径为20-30μm，长径比＞500，断裂延伸率为2-3%，抗拉强度＞2800MPa。

本发明采用聚丙烯纤维和聚乙烯纤维作为复合纤维制备3D打印沙漠砂超高延性混凝土，聚丙烯纤维成本低廉，耗能低，虽然抗拉强度较差，但同时具备较低的弹性模量，聚乙烯纤维具有较高的抗拉强度和拉伸弹性模量，经试验表明，采用聚丙烯纤维和聚乙烯纤维作为复合纤维利于提高纤维的裂缝容忍度和桥接补充余能，避免3D打印沙漠砂超高延性混凝土受力过程中发生断裂破坏；并且，聚丙烯纤维和聚乙烯纤维都具有憎水性，对于实现3D打印超高延性混凝土的应***化和稳态开裂行为有益。因此，将聚丙烯纤维和聚乙烯纤维混杂作为增强增韧材料，可以制备得到价格低廉的3D打印沙漠砂超高延性混凝土，这类混凝土在实现超高拉伸应变能力的同时，也可以实现较强的拉伸强度。该方法简单有效，可对超高延性混凝土的配合比及复合纤维的掺量进行深度设计，从而制备一种具有优异力学性能和断裂韧性的3D打印沙漠砂超高延性混凝土。

本发明聚丙烯纤维体积分数为混凝土总体积的0.1-1.5%，聚乙烯纤维体积分数为混凝土总体积的0.5-2%，此范围的复合纤维可实现混凝土的超高延性要求，并同时满足3D打印施工需要；复合纤维由于分散性需要，常常需要在混凝土中添加分散剂，然而，不同品种的分散剂可对混凝土流动性和施工效果带来不同影响，为满足混凝土3D打印施工需要，经大量实验表明，添加聚丙烯酰胺可满足复合纤维在3D打印混凝土中的分散性和挤出施工要求。

优选的，所述减水剂为聚羧酸盐系高效粉体减水剂。

本发明还涉及上述3D打印沙漠砂超高延性混凝土的制备方法，具体的，包括如下步骤：

1）首先将按重量份称好的水泥、粉煤灰、沙漠砂和减水剂置于水泥砂浆搅拌机中慢速干拌，使干料混合均匀；

2）向搅拌机中加入水，待干料液化后，加入聚丙烯酰胺慢速搅拌；

3）将聚丙烯纤维加入搅拌机中快速搅拌，待聚丙烯纤维分散后加入聚乙烯纤维快速搅拌，使纤维分散均匀；

4）将搅拌好的浆体浇筑在模具中，振捣成型后用塑料膜密封，脱模后在室内常温条件下继续养护至28天，即得。

优选的，步骤1）慢速干拌时间为1-2min。

优选的，步骤2）慢速搅拌时间为1-5min。

优选的，步骤3）聚丙烯纤维快速搅拌时间为1-2min。

优选的，步骤3）聚乙烯纤维快速搅拌时间为2-4min。

优选的，步骤4）振捣时间为1-2min。

优选的，慢速搅拌的转速为135-145r/min。

优选的，快速搅拌的转速为275-295r/min。

本发明的特点及优良效果如下：

1）试验方法简单、易操作，沙漠砂可直接与原材料拌合制备得到具有超高延性的3D打印沙漠砂混凝土，单向拉伸延性能保持在5-9%，可达到普通钢筋的应变水平，同时裂缝宽度保持在100μm左右；

2）将聚丙烯纤维和聚乙烯纤维混杂，可降低材料成本，充分利用两者的憎水特性，制备得到具有超高拉伸延性的3D打印沙漠砂混凝土；

3）复合纤维的可设计性强，通过调整两种不同纤维的含量，可以改变混凝土的拉伸应变能力和拉伸强度，也可以改善混凝土基体的断裂韧性；

4）本发明砂胶比在0.3-0.9，可高效利用沙漠砂，减少水泥用量，绿色环保，经济成本低。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。

实施例和对比例水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，聚丙烯纤维长度为10 mm,长径比为700，聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为750。

实施例1

3D打印沙漠砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥600份，粉煤灰720份，沙漠砂400份，聚丙烯纤维9.1份，聚乙烯纤维9.7份，水356.4份，减水剂3.5份，聚丙烯酰胺2份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土打印施工挤出性良好，不坍塌，混凝土拉伸应变能力达8.10%，达到普通钢筋的应变水平，裂缝宽度仅为93.5μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

实施例2

3D打印沙漠砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥520份，粉煤灰624份，沙漠砂686.5份，聚丙烯纤维4.95份，聚乙烯纤维14.6份，水332.6份，减水剂3.4份，聚丙烯酰胺2.5份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土打印施工挤出性良好，不坍塌，混凝土拉伸应变能力达8.93%，达到普通钢筋的应变水平，裂缝宽度仅为97.8μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

实施例3

3D打印沙漠砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥460份，粉煤灰552份，沙漠砂910.8份，聚丙烯纤维13.7份，聚乙烯纤维4.75份，水273.2份，减水剂3份，聚丙烯酰胺2.3份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土打印施工挤出性良好，不坍塌，混凝土拉伸应变能力达6.63%，达到普通钢筋的应变水平，裂缝宽度仅为94.2μm，具有优异的稳态开裂行为和变形能力。

对比例1

混凝土，由以下重量份原料组成：水泥600份，粉煤灰720份，沙漠砂400份，聚乙烯醇纤维18.8份，水356.4份，减水剂3.5份，聚丙烯酰胺2份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土打印施工挤出性较差，部分坍塌，混凝土拉伸应变能力0.9%，裂缝宽度为156.3μm。

对比例2

由以下重量份原料组成：水泥600份，粉煤灰720份，沙漠砂400份，聚丙烯纤维9.1份，钢纤维9.7份，水356.4份，减水剂3.5份，聚丙烯酰胺2份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土打印施工挤出性差，无法打印施工。

对比例3

由以下重量份原料组成：水泥600份，粉煤灰720份，沙漠砂400份，聚丙烯纤维10.1份，聚乙烯纤维10.7份，水356.4份，减水剂3.5份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土复合纤维结团，打印施工挤出性差，经常堵塞出料嘴，混凝土严重坍塌。

对比例4

由以下重量份原料组成：水泥600份，粉煤灰720份，沙漠砂400份，聚丙烯纤维9.1份，聚乙烯纤维9.7份，水356.4份，减水剂3.5份，羟丙基甲基纤维素2份。

经检测，3D打印沙漠砂超高延性混凝土复合纤维分散不均匀，打印施工挤出性差，混凝土严重坍塌。

最后应说明的是：以上各实施方式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方式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方式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方式技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，由以下重量份原料组成：水泥460-600份，粉煤灰500-720份，沙漠砂400-920份，聚丙烯纤维1-15份，聚乙烯纤维5-20份，水350-650份，减水剂3-5份，聚丙烯酰胺1-3份。

2.根据权利要求1所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥42.5MPa。

3.根据权利要求1所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F类粉煤灰，粒径范围为50-400μm，其比表面积≥400m²/kg。

4.根据权利要求1所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维的长度为8-12mm，直径为10-20μm，长径比＞600，断裂延伸率为20-23%，抗拉强度＞800MPa。

5.根据权利要求1所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，所述聚乙烯纤维的长度为12-24mm，直径为20-30μm，长径比＞500，断裂延伸率为2-3%，抗拉强度＞2800MPa。

6.根据权利要求1所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸盐系高效粉体减水剂。

7.根据权利要求1-6任一项所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先将按重量份称好的水泥、粉煤灰、沙漠砂和减水剂置于水泥砂浆搅拌机中慢速干拌，使干料混合均匀；

2）向搅拌机中加入水，待干料液化后，加入聚丙烯酰胺慢速搅拌；

3）将聚丙烯纤维加入搅拌机中快速搅拌，待聚丙烯纤维分散后加入聚乙烯纤维快速搅拌，使纤维分散均匀；

4）将搅拌好的浆体浇筑在模具中，振捣成型后用塑料膜密封，脱模后在室内常温条件下继续养护至28天，即得。

8.根据权利要求7所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤1）慢速干拌时间为1-2min，步骤2）慢速搅拌时间为1-5min，步骤3）聚丙烯纤维快速搅拌时间为1-2min，聚乙烯纤维快速搅拌时间为2-4min，步骤4）振捣时间为1-2min。

9.根据权利要求8所述3D打印沙漠砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，慢速搅拌的转速为135-145r/min，快速搅拌的转速为275-295r/min。