一种利用河湖底泥3D打印免烧砖的装置及制作方法与流程

一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置及制作方法
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，涉及一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置及制作方法。


背景技术：

2.我国每年河道或湖底清淤所产出的底泥量在10亿立方米以上，这些河湖底泥是一种被遗弃但可重新利用的自然资源。河湖底泥主要化学成分由石英、黏土类矿物、长石类矿物组成，另含少量的碳酸盐，微量的硫酸盐、磷酸盐及有机物，属于硅酸盐类原料；可替代黏土、页岩原生态资源。河湖底泥的主要来源有：一是由雨水、河、湖水运动、洪灾带来的泥沙自然形成的矿物质；二是工业及养殖业排放的废弃物，主要由采矿、工业企业及养殖业未经处理的废弃物直接排放河、湖淤积而成的物质。河湖底泥从本质上来讲属于工程废弃物，按照固体废弃物处理的减量化、无害化、资源化原则，应尽可能对河湖底泥做到资源化利用。
3.河湖底泥无害化处置和资源化利用主要方法，包括脱水、烧结、固化、充当建筑材料、土地利用。土地利用是将河湖底泥用于农田和园林绿化。利用河湖底泥做农业肥料对农作物的类型有非常严格的要求，并且运输成本高；利用河湖底泥进行园林绿化，也存在病原菌扩散和重金属污染的危险。脱水和烧结仅适用于对小批量、高含水量河湖底泥的处理，限制了河湖底泥的利用率，不利于河湖底泥的规模化处理。在我国国民经济体系中，建筑行业是一大支柱性产业，每年都会消耗大量的建筑材料。建筑材料生产需消耗大量黏土，造成耕地破坏。河湖底泥与黏土有较大的相似之处，可利用河道底泥生产烧结砖。但有以下缺点：耗资耗能巨大，烧结过程中会释放so2有毒气体，烧结过程中需严格控制温度。
4.在本发明专利之前，中国申请发明专利“一种河道淤泥免烧砖及其制备方法”，申请号：201810391111.8，公开了一种河道淤泥免烧砖及其制备方法、河道淤泥免烧砖的各原料参数；河道淤泥免烧砖具有保温隔热性好、环保节能的特点；中国申请发明专利“一种海淤泥免烧砖及其制备方法”，申请号：201811216924.x，公开了一种海淤泥免烧砖及其制备方法、海淤泥免烧砖主要原料参数，具有产品性能稳定、抗压强度较高、砌筑后不泛碱的特点。传统免烧砖均存在一定的技术缺陷：均为制砖机压缩制砖，模具型号单一，不能灵活适用各种工程；需对河湖底泥进行收集运输至砖厂才能进行制作，由于含水率过高河湖底泥收集运输十分不便；河湖底泥免烧砖利用形式单一，非常有必要对其进行扩展利用。因此，结合3d打印技术，研发一种灵活运用河湖底泥资源，且避免其收集、运输困难的技术方案，显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置，该一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置，包括试验承台、模型槽、移动部、供料部、
打印喷头和控制器；所述模型槽设置在实验承台上，所述供料部与打印喷头连接，所述控制器用于控制移动部、供料部和打印喷头；
7.所述移动部包括环形滑轨、第一滑轨、第一移动装置、第二滑轨、第二移动装置、第三滑轨、第三移动装置和第四移动装置，所述环形滑轨为沿试验承台四周构成的闭合环形轨道，所述环形滑轨与试验承台底部的四根支撑柱固定连接；所述第一滑轨沿竖直方向设置且底部通过第一移动装置与环形滑轨活动连接，所述第一移动装置用于带动第一滑轨沿环形滑轨移动，所述第二滑轨沿水平方向设置且一端通过第二移动装置与第一滑轨顶部活动连接，所述第二移动装置用于带动第二滑轨沿第一滑轨移动，所述第三滑轨沿竖直方向设置且顶部通过第三移动装置与第二滑轨连接，所述第三移动装置用于带动第三滑轨沿第二滑轨移动，所述第四移动装置与第三滑轨活动连接，所述第一移动装置、第二移动装置、第三移动装置和第四移动装置均与控制器连接；
8.所述供料部包括依次连接的搅拌池、基材泵、基材输送管和基材储备槽，所述搅拌池通过基材输送管与基材泵连接，所述基材泵通过基材输送管与基材储备槽连接，所述基材储备槽与第四移动装置连接，所述第四移动装置用于带动基材储备槽沿第三滑轨移动，所述基材储备槽与打印喷头连接，所述搅拌池和基材储备槽均与控制器连接。
9.优选的，所述基材储备槽设置有出气孔，内部设置有搅拌器。
10.优选的，所述打印喷头的出浆口为圆形，尺寸2
‑
3mm。
11.一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的制作方法，使用根据所述的一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置，包括以下步骤：
12.一、材料准备：将河湖底泥除杂，然后将除杂后的河湖底泥与固化剂、外加剂搅拌并装入搅拌池中，加水、骨料搅拌获得3d打印基材；
13.二、三维建模：利用3d建模软件，建立免烧砖三维立体模型的尺寸；所述免烧砖三维立体模型包括六棱形护坡砖、蜂巢型护坡砖、自嵌式挡土块和联锁式护坡砖。
14.三、3d打印：通过控制器将三维立体模型转化为三维坐标，根据三维坐标控制移动部移动准确的将打印喷头定位在预打印位置，供料部将3d打印基材输送至打印喷头进行打印；打印完成后控制移动部将打印喷头定位在下一处预打印位置上方进行打印，重复上述步骤，直至打印完成。
15.四、养护成型：在标准养护条件下进行养护，完成免烧砖的制作。
16.优选的，所述免烧砖的原料按质量百分比计，河湖底泥40％～75％、固化剂15％～35％、骨料0～40％、水0～25％、外加剂0～3％。
17.优选的，所述河湖底泥存在污染物时，采用追踪标记法对有害元素进行追踪、标记，用于明确含污染物的免烧砖的流动路径和范围。
18.优选的，所述步骤一中的河湖底泥替换为海底淤泥，再添加抗氯离子腐蚀材料用于海洋工程。
19.优选的，所述免烧砖养护成型后安装二维码信息片，用于查询河湖淤泥来源、成分含量，采取、运输及3d打印时间、工程用途。
20.有益效果：现场原位取料、3d打印制作河湖底泥免烧砖，减少运输、堆存环节；灵活设计河湖底泥免烧砖三维立体模型，包括路基工程中护坡挡土墙结构中自嵌式挡土块，护坡面中六棱块、蜂巢式网格或连锁式护坡砖块体模型；或设计挡土墙整体模板，施工时在模
板内填入基材或固化土或天然土，形成挡土墙结构；或分块设计、预制挡土墙模板，再进行装配形成挡土墙结构，并预留排水管、雨水管道、涵洞结构；或设计成路基分区填筑结构，代替固化土或天然土填筑路基。不仅实现河湖底泥资源化利用，而且形式多样、运用灵活、施工便捷、造价低廉。
附图说明
21.图1为利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置结构示意图；
22.图2为本发明用河湖底泥3d打印免烧砖的制作方法流程图；
23.图3为自嵌式挡土块形状示意图；
24.图4为六棱形护坡砖形状示意图；
25.图5为蜂巢型护坡砖形状示意图；
26.图6为联锁式护坡砖形状示意图；
27.图7为路基横截面分区填筑示意图；
28.图8为挡土墙结构示意图；
29.图中符号说明：1：试验承台；2：模型槽；3：移动部；4：供料部；5：打印喷头；6：控制器；7：环形滑轨；8：第一滑轨；9：第一移动装置；10：第二滑轨；11：第二移动装置；12：第三滑轨；13：第三移动装置；14：第四移动装置；15：搅拌池；16：基材泵；17：基材输送管；18：基材储备槽；19：自嵌式挡土块；20：六棱形护坡砖；21：蜂巢型护坡砖；22：联锁式护坡砖；23：机动车道填筑区；24：绿化带填筑区；25：非机动车道填筑区；26：挡土墙。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
32.实施例1：
33.参考图1，本发明提供一种技术方案，一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置，包括试验承台1、模型槽2、移动部3、供料部4、打印喷头5和控制器6；模型槽2设置在实验承台上1，供料部3与打印喷头5连接，控制器6用于控制移动部3、供料部4和打印喷头5；
34.移动部3包括环形滑轨7、第一滑轨8、第一移动装置9、第二滑轨10、第二移动装置11、第三滑轨12、第三移动装置13和第四移动装置14，环形滑轨7为沿试验承台1四周构成的闭合环形轨道，环形滑轨7与试验承台1底部的四根支撑柱固定连接；第一滑轨8沿竖直方向设置且底部通过第一移动装置9与环形滑轨7活动连接，第一移动装置9用于带动第一滑轨8沿环形滑轨7移动，第二滑轨10沿水平方向设置且一端通过第二移动装置11与第一滑轨8顶部活动连接，第二移动装置11用于带动第二滑轨10沿第一滑轨8移动，第三滑轨12沿竖直方向设置且顶部通过第三移动装置13与第二滑轨10连接，第三移动装置13用于带动第三滑轨12沿第二滑轨10移动，第四移动装置14与第三滑轨12活动连接，第一移动装置9、第二移动
装置11、第三移动装置13和第四移动装置14均与控制器6连接；
35.供料部4包括依次连接的搅拌池15、基材泵16、基材输送管17和基材储备槽18，基材储备槽18与第四移动装置14连接，第四移动装置14用于带动基材储备槽18沿第三滑轨12移动，基材储备槽18与打印喷头5连接，搅拌池15和基材储备槽18均与控制器6连接。
36.使用时，通过控制器6控制将3d打印材料从搅拌池15输送至基材储备槽18，搅拌池15先将3d打印材料通过与之相连基材泵16运输至基材输送管17，3d打印材料沿基材输送管17运输至基材储备槽18，然后根据待打印模型确定打印位置，控制器6控制第一移动装置9在环形滑轨7上移动，来调整打印喷头5在水平方向上的位置，控制第二移动装置11在第一滑轨8上移动调整竖直方向上的位置，控制第三移动装置13在第二滑轨10上移动调整水平方向上的位置，控制第四移动装置14在第三滑轨12上移动调整竖直方向上的位置，满足三维坐标调整的需要进行打印。
37.进一步地，基材储备槽18设置有出气孔，内部设置有搅拌器，在3d打印期间持续进行搅拌，保证浆液的流动性。
38.进一步地，所述打印喷头的出浆口为圆形，尺寸2
‑
3mm。
39.实施例2：
40.参考图1
‑
6，本发明提供一种技术方案,一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的制作方法，使用根据实施例1中的一种利用河湖底泥3d打印免烧砖的装置，包括以下步骤：
41.一、材料准备：将河湖底泥除杂，然后将除杂后的河湖底泥与固化剂、外加剂搅拌并装入搅拌池中，加水、骨料搅拌获得3d打印基材；
42.二、三维建模：利用3d建模软件，建立免烧砖三维立体模型的尺寸；免烧砖三维立体模型包括六棱形护坡砖20、蜂巢型护坡砖21、自嵌式挡土块19和联锁式护坡砖22，自嵌式挡土块19整体为梯形结构，六棱形护坡砖20整体为六棱形状，蜂巢型护坡砖21单个为六棱状，结合为蜂巢型，联锁式护坡砖22单个整体为工字型，能够相互结合，可以用于不同工程中使用；三维立体模型可利用autocad、3dmax、proe、ug或solidworks等计算机3d建模软件进行构建；
43.三、3d打印：通过控制器6将三维立体模型转化为三维坐标，根据三维坐标控制移动部3移动准确的将打印喷头5定位在预打印位置，控制器6控制第一移动装置9在环形滑轨7上移动，来调整打印喷头5在水平方向上的位置，控制第二移动装置11在第一滑轨8上移动调整竖直方向上的位置，控制第三移动装置13在第二滑轨10上移动调整水平方向上的位置，控制第四移动装置14在第三滑轨12上移动调整竖直方向上的位置，满足三维坐标调整的需要进行打印，供料部4将3d打印基材输送至打印喷头5进行打印；打印完成后控制移动部3将打印喷头定位在下一处预打印位置上方进行打印，重复上述步骤，直至打印完成。
44.四、养护成型：在标准养护条件下进行养护，完成免烧砖的制作。
45.进一步地，免烧砖的原料按质量百分比计，河湖底泥40％～75％、固化剂15％～35％、骨料0～40％、水0～25％、外加剂0～3％，能够满足强度要求，固化剂为碱激发水泥，由激发剂和硅铝酸盐类物质组成，骨料包括河沙、天然石子、再生骨料或废陶瓷粒中的一种或多种的组合，外加剂采用高校减水剂、早强剂、缓凝剂或防冻剂中的一种或多种的组合。
46.进一步地，河湖底泥存在污染物时，采用追踪标记法对有害元素进行追踪、标记，用于明确含污染物的免烧砖的流动路径和范围。
47.进一步地，免烧砖养护成型后安装二维码信息片，用于查询河湖淤泥来源、成分含量，采取、运输及3d打印时间、工程用途，便于进行管理维护。
48.实施例3：
49.参考图1
‑
6，在实施例2的基础上，3d打印基材由下列质量百分比的原料制成：河湖底泥60％、固化剂18％、天然石子15％、水5％、高效减水剂2％，各组分质量百分数之和为100％。所述河湖底泥不需要经过脱水处理，含水率为60wt％，对所得28d 3d打印免烧砖进行强度检测，其抗压强度为15mpa，且满足《危险废弃物鉴别标准浸出毒性鉴别》(gb5085.3
‑
2007)的要求。
50.实施例4：
51.参考图1
‑
6，在实施例2的基础上，3d打印基材由下列质量百分比的原料制成：河湖底泥70％、固化剂14％、骨料0％、水15％、早强剂1％，各组分质量百分数之和为100％；河湖底泥不需要脱水处理，含水率为50wt％，对所得28d 3d打印免烧砖进行强度检测，其抗压强度为11mpa，且满足《危险废弃物鉴别标准浸出毒性鉴别》(gb 5085.3
‑
2007)的要求。
52.实施例5：
53.参考图1
‑
6，在实施例2的基础上，当3d打印免烧砖作为路基护坡结构应用时，在河道或湖边获得底泥并适当脱水后，就近通过打印装置采用打印方法打印免烧砖，再运输到工程应用现场；
54.或者将经过适当脱水后的河湖底泥运输到工程应用现场，再通过通过打印装置采用打印方法打印免烧砖，在标准养护条件下养护得到各种路基护坡结构。
55.实施例6：
56.参考图1
‑
6和8，在实施例2的基础上，使用装置打印挡土墙26的模板结构应用时，根据设计要求，可在河道或湖边进行材料准备，然后进行挡土墙26的模板的三维建模，然后按照打印免烧砖的过程进行挡土墙26的模板3d打印，标准条件养护结束，将3d打印出的模板代替传统的木质模板或者钢制模板，在模板内填入基材或固化土或天然土形成挡土墙26结构；或分块设计、预制挡土墙模板，再运输到现场进行装配形成挡土墙模板结构。
57.实施例7：
58.参考图1
‑
7，在实施例2的基础上，当3d打印免烧砖作为路基分区填筑结构时，根据路基上方道路功能进行分区，将路基横截面分为机动车道填筑区23、绿化带填筑区24和非机动车道填筑区25；通过改变3d打印技术基材中河湖底泥及固化剂含量调整其强度，在路基不同位置用免烧砖代替固化土进行精细化填筑，减少原材料的浪费。
59.实施例8：
60.参考图1
‑
6，在实施例2的基础上，3d打印免烧砖用于涉河路堤、涉海路堤等海样工程结构时，用海底淤泥进行替换，添加抗氯离子腐蚀材料达到国家抗腐蚀规范标准，对结构进行有效防护；基于鲨鱼或蛇皮肤仿生学原理，在免烧砖表面打印或雕刻类似于鲨鱼或蛇的皮肤纹理，起到清洁浸水路堤表面及减少冲刷腐蚀的功能。
61.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。