基于3D打印的固废资源化轻质高延性混凝土

基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土
技术领域
1.本发明涉及固废3d打印混凝土技术领域，尤其涉及一种基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土。


背景技术：

2.尾矿是指在当前的采选技术条件下，矿业开发中对矿石进行采选后排放且含有一定有价值组分的矿业废料。依据生态环境部《2019年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》可知，2018年，经调查我国重点工业企业尾矿综合利用率为27.1％，相比国外的一些尾矿综合利用水平较高的国家还有很大差距。由于大多数尾矿中硅含量相对较高，且主要以惰性矿物石英晶体的形态存在，不是传统胶凝材料的主要原料，相对粉煤灰和矿渣粉而言，其活性较低，难以激发。
3.高延性混凝土是一种具有良好力学高韧性的水泥基复合材料，目前高延性混凝土虽然具备优异的力学韧性，并且与建筑3d打印技术在智能建造理念方面高度兼容互补，结构的设计和建造更具灵活化、精细化和可持续化，但是高延性混凝土造价昂贵，难以适应规模化生产应用。
4.如何将尾矿应用于3d打印混凝土中，实现高延性混凝土的3d打印，增加尾矿的利用率，实现固废资源化，是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土，该混凝土加入机械活化处理后的尾矿，可增加混凝土的抗压强度和抗弯强度，加入表面改性的聚乙烯醇长纤维，实现纤维定向效果，显著提高混凝土的韧性与抗劈裂性，更大程度上激发了纤维受拉的潜能，极大提升抗折性能与延展性能。
6.本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
7.一种基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：
8.水泥1份；
9.粉煤灰：0.50～1.33份；
10.硅灰：0.1～0.2份；
11.石英砂：0.7～0.8份；
12.尾矿：0.1～0.3份；
13.水：0.6～0.7份；
14.改性聚乙烯醇长纤维：0.0100～0.0175份；
15.空心玻璃微珠：1.00～1.33份；
16.减水剂0.01～0.02份；
17.所述改性聚乙烯醇长纤维的具体处理过程是：将25mm长的pva纤维首先进行表面
清洗烘干，再在外部温度15-35℃范围将pva纤维浸泡在浓度为70-90g/l的、以质量比1:1:1:1混合的50微米石英砂、凡士林、聚二甲基硅氧烷和钛酸酯偶联剂的乳液中3-5分钟，之后在不高于100℃温度下烘干，之后再进行最后清洗并105℃烘干，获得改性聚乙烯醇长纤维。
18.所述的改性聚乙烯醇长纤维为直径39μm、长度25mm、密度1300kg/m3、张力强度1600mpa，聚二甲基硅氧烷粘度100cst，粘度温度系数0.6。
19.优选的，所述的尾矿为锑尾矿或磁铁矿，优选，尾矿的中值粒径为50-500μm5，优选地，锑尾矿的中值粒径125微米，磁铁矿的中值粒径为125微米。
20.优选的，所述的水泥为普通硅酸盐水泥，比重3.1t/m3,细度指数390m3/kg,初凝时间120min,终凝时间210min,抗压强度58.5mpa。
21.优选的，所述的空心玻璃微珠为密度460kg/m3,平均直径20μm,压力强度110.31mpa。
22.优选的，所述的石英砂中各物质的组成含量是：二氧化硅占99.86％,三氧化二铝占0.02％，三氧化二铁占0.01％。
23.优选的，所述的硅灰为有效二氧化硅99％,密度625kg/m3,相对密度2.21,含水量1.1％,火山灰活性111％,压力强度31.3mpa。
24.优选的，所述的粉煤灰中各物质的质量组成为：二氧化硅50.40％，三氧化二铝31.50％，三氧化二铁10.40％，氧化钙3.30％，氧化镁1.10％，氧化钠0.30％，二氧化钛1.90％，总碱0.60％。相对密度2.29,含水量0.10％，相对含水量93.0％。
25.上述基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：
26.a、按质量份数称取各原料；
27.b、用球磨机对尾矿碾磨进行机械活化处理，使尾矿的中值粒径达到50微米～500微米；
28.c、将水泥、粉煤灰、空心玻璃微珠、石英砂、尾矿倒入搅拌机中混合300s，得到均匀的干粉混合物；
29.d、将硅灰倒入步骤c混合后的搅拌机中再混合300s；
30.e、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；
31.f、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约20～40s后，获得浆料；
32.g、将改性聚乙烯醇长纤维少量多次手工揉散后均匀分散在浆料中，纤维分为五等份，撒入一份搅拌10s，直至将五份全部加入，以保证分布均匀，直至所有的改性聚乙烯醇长纤维均匀分散；
33.h、将步骤g的物料转移到泵料管中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行3d打印挤出样品，获得基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土。打印速度：180cm/min，挤出流速：458cm3/min，喷头直径12mm。
34.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
35.1.本发明中使用特制加长表面改性的聚乙烯醇(pva)纤维，用3d打印挤出工艺可实现喷头附近的向心挤压效应，使得纤维伴随混凝土在通过喷头时沿打印流变方向定向分布，加长纤维在挤出时纤维的分布方向与混凝土受拉方向一致，使得相同体积掺量下连续布筋效果更突出，减小了方向随机分布的范围，定向效果更佳；同时加长pva纤维经过增韧
改性处理，韧性与抗劈裂性能得到重大提升，更大程度上激发了纤维受拉的潜能，极大提升抗折性能与延展性能。
36.2.锑尾矿必须经过一定的活化处理，才能有较好的资源化利用效果，未粉磨时，锑尾矿的比表面积为233.20m2/kg，28d活性指数仅为53.89％,当粉磨至5min，尾矿的比表面积达到495.10m2/kg，28d活性指数达到65.65％,粉磨至10min，尾矿的比表面积为849.40m2/kg,28d活性指数达到峰值为80.94％。尾矿经过球磨机碾磨进行了机械活化作用能较好地提升尾矿的地聚物反应活性。
37.3.打印出来的样品具备良好的抗压性能。锑尾矿具有潜在的火山灰活性通过机械活化处理激发了火山灰的活性也可提高混凝土的抗压性能。硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，可显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。
38.4、打印出来的样品具备良好的抗弯性能。本发明混凝土配方中掺入聚乙烯醇纤维可以显著提高混凝土材料的韧性、抗弯性能、抗冲击性能等，本发明所用聚乙烯醇纤维的主要特点是强度高、模量高、伸度低、耐磨、抗酸碱、耐候性好，在《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》(gb/t21120～2007)规范下实测段裂伸长率达6％～7％，抗拉强度高达1600mpa，初始弹性模量高达40gpa，与水泥等基材有良好的亲和力和结合性。纤维的定向分布对抗弯强度的提高具有重要作用，使用3d打印的技术，混凝土的挤出过程中大部分纤维沿打印方向定向分布，提高了纤维的增强效果。
39.5、打印效果好。本发明运用的纤维均为柔软纤维，打印堵塞率低；而且混凝土间黏聚力大，打印完成后开裂率低。
40.6、本发明混凝土相对于一般的混凝土的自重较轻，大大减少了打印过程中上层材料对下层的压力变形，使得打印的结构表现更加均匀美观。
41.7、本发明混凝土的材料粉煤灰、锑尾矿可来源于工业建筑固体废料，提高建筑的可持续性，对建筑拆除后的处理提出高效、环保、节能的解决途径，也可利用现有开发的资源提炼出锑尾矿等材料减少资源的浪费。
附图说明
42.图1是混凝土加载-挠度曲线。
43.图2是本发明基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土实施例1-3的站立性实验结果图。
具体实施方式
44.以下将对本发明进行进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于本实施例。
45.实施例1
46.一种基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土，该混凝土由以下质量份数的原料制备而成：水泥1份；粉煤灰：0.532份；硅灰：0.11份；石英砂：0.72份；锑尾矿：0.1份；水：0.65份；改性聚乙烯醇长纤维：0.0175份；空心玻璃微珠：1.2份；减水剂0.015份。
47.所述改性聚乙烯醇长纤维的具体处理过程是：将25mm长的pva纤维首先进行表面清洗烘干，再在外部温度25℃下将pva纤维浸泡在浓度为80g/l的、以质量比1:1:1:1混合的
50微米石英砂、凡士林、聚二甲基硅氧烷和钛酸酯偶联剂的乳液中3-5分钟，之后在80℃温度下烘干，之后再进行最后清洗并105℃烘干，获得改性聚乙烯醇长纤维。
48.所述的改性聚乙烯醇长纤维为直径39μm、长度25mm、密度1300kg/m3、张力强度1600mpa，聚二甲基硅氧烷粘度100cst，粘度温度系数0.6。
49.所述的水泥为普通硅酸盐水泥，比重3.1t/m3,细度指数390m3/kg,初凝时间120min,终凝时间210min,抗压强度58.5mpa。
50.所述的空心玻璃微珠为密度460kg/m3,平均直径20μm,压力强度110.31mpa。
51.所述的石英砂为二氧化硅占99.86％,三氧化二铝占0.02％，三氧化二铁占0.01％。
52.所述的硅灰为有效二氧化硅99％,密度625kg/m3,相对密度2.21,含水量1.1％,火山灰活性111％,压力强度31.3mpa。
53.所述的粉煤灰中各物质的组成为：二氧化硅50.40％，三氧化二铝31.50％，三氧化二铁10.40％，氧化钙3.30％，氧化镁1.10％，氧化钠0.30％，二氧化钛1.90％，总碱0.60％。相对密度2.29,含水量0.10％，相对含水量93.0％。
54.制备过程是：
55.a、按质量份数称取各原料；
56.b、用球磨机对锑尾矿碾磨进行机械活化处理，碾磨10分钟，使锑尾矿的中值粒径达到125微米；球磨转速为36-38r/min。
57.c、将水泥，粉煤灰，空心玻璃微珠，石英砂，尾矿倒入搅拌机中混合300s，得到均匀的干粉混合物；
58.d、将硅灰倒入搅拌机中混合300s；
59.e、将全部水和减水剂混合并搅拌均匀，制得水和减水剂的混合物；
60.f、将水和减水剂的混合物加入至干粉混合物中搅拌约20～40s后，获得浆料；
61.g、将改性聚乙烯醇长纤维少量多次手工揉散后均匀分散在浆料中，纤维分为五等份，撒入一份搅拌10s，直至将五份全部加入，以保证分布均匀，直至所有的改性聚乙烯醇长纤维均匀分散；
62.在步骤g中，所述的全部原料均搅拌的具体过程如下：在搅拌过程中用工具不断地将附着的水泥沿着搅拌机内壁刮下，搅拌停止后，将搅拌转子上未搅拌均匀的水泥迅速刮下，最后再搅拌2～4min；
63.h、将步骤g的物料转移到泵料管中，并由泵料管道将其泵送到打印喷头处挤出，即可进行3d打印挤出样品，获得基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土。
64.实施例2
65.本实施例基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土，物料组成及制备过程同实施例1，不同之处在于，本实施例锑尾矿的用量为0.17份，通过表1可以得出锑尾矿的用量更多可以使混凝土的抗弯强度、抗压强度更高。
66.实施例3
67.本实施例基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土，物料组成及制备过程同实施例1，不同之处在于，本实施例锑尾矿的用量为0.24份，通过表1可以得出混凝土的抗弯强度、抗压强度变低了，说明锑尾矿存在掺量阈值，有一个适宜的取值范围。
68.对比例1
69.本对比例混凝土，物料组成及制备过程同实施例2，不同之处在于，本对比例相对于实施例2使用了不改性普通长度pva纤维，长度为9-12mm。
70.对比例2
71.本对比例相对于实施例2配方组成及制备过程相同，不同之处在于，本对比例使用的是直接浇筑技术获得混凝土试样。
72.实施例4
73.本对比例相对于实施例2，不同之处在于采用相同质量的磁铁矿进行3d打印，其混凝土的抗弯强度和抗压强度的效果低于实施例2的效果，且混凝土的密度更大，说明在尾矿的选择中锑尾矿更适用于提高混凝土的性能。
74.图1是混凝土加载-挠度曲线，分别为实施例2(长纤维)、对比例1(短切纤维)、对比例2(浇筑)的加载-挠度对比曲线，本发明改性pva长纤维能够显著增强混凝土的挠度，具有更高的延性。改性pva长纤维和3d打印工艺协同作用实现了纤维定向效应与力学强度、延展性上的提升。
75.图2是本发明基于3d打印的固废资源化轻质高延性混凝土实施例1-3的站立性实验结果图。本发明实施例1和实施例2均能够获得良好3d打印的高延性混凝土，站立性好。
76.表1是实施例及对比例获得的混凝土的28d抗压强度、28d抗弯强度、密度的数据。本发明实施例1-3能够获得低密高延的混凝土，混凝土的密度控制在1750kg/m3以下，28d抗压强度大于35mpa、28d抗弯强度大于8.5mpa。
77.表1
[0078] 实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2实施例428d抗压强度(mpa)37.0937.4235.5133.8230.0236.8128d抗弯强度(mpa)9.519.468.527.775.029.22密度(kg/m3)174616131592162916441982
[0079]
本发明未述及之处适用于现有技术。