一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印及废弃物资源化领域，尤其涉及一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法。
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。
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。2017年我国产生建筑废弃物超过20亿吨，其中废旧混凝土含量最高约占40％，将之破碎处置成再生骨料然后制成再生混凝土是其主要的资源化利用方向，多数发达国家的废旧混凝土资源化利用率能达到90％以上，而在我国，尽管该行业经过了十几年的发展，其资源化利用率仍不足10％。将再生混凝土材料运用到3D打印中，将给建筑废弃物资源化行业的进一步发展带来契机。
然而，目前大多数建筑3D打印材料的抗压、抗折和劈裂强度都较低，无法实现高品质应用，从而制约了建筑3D打印的进一步推广和应用。
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可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法，克服了现有建筑3D打印材料无法有效利用建筑废料，且强度低、易破坏的缺陷。该3D打印高强再生混凝土使用了粉煤灰、硅灰、再生细砂和再生粗砂，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可3D打印的高强再生混凝土，以重量份计，包括以下组分：
水泥：730-1210份；
粉煤灰：75-235份；
硅灰：55-220份；
细砂：777-1356份；
粗砂：354-661份；
钢纤维：10-19份；
减水剂：11.1-23.7份；
纳米黏土：7.1-15.3份；
纤维素：0.9-4.2份；
水：187-432份。
优选的，所述水泥为P.I%2062.5级硅酸盐水泥，其与聚羧酸系减水剂相容性良好；所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰；所述硅灰符合CAN/CSA%20A3000标准规定。
优选的，所述细砂包括天然砂和再生砂，所述天然砂由质地坚硬的河砂和集配良好的优质石英砂组成；所述河砂细度模数小于2.2；所述石英砂的SiO2含量大于96％，级配良好，最大粒径600微米；所述再生细砂为将废旧的混凝土破碎得到的粒径为0.6mm-2.1mm的颗粒，属于GB/T%2025176-2010规定的Ⅰ类混凝土和砂浆用再生细骨料，其颗粒级配为1级配区，坚固性指标小于5.0％，压碎指标小于15％；
优选的，所述细砂粒形良好，杂质含量小于0.1％。
优选的，所述粗砂包括天然粗砂和再生粗砂，所述天然粗砂由坚硬致密的玄武岩磨碎得到，所述玄武岩体积密度为3.1-3.3g/cm3，压缩强度可达300MPa，所述天然粗砂级配良好粒径范围2.1mm-4.3mm；
优选的，所述再生粗砂为将废旧的混凝土破碎得到的粒径为2.1mm-4.3mm的颗粒；
优选的，所述粗砂粒形良好，杂质含量小于0.1％。
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，所述一种可3D打印的高强再生混凝土得，包括以下条件中任意一项或多项：
1)所述减水剂为聚羧酸减水剂；
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。
优选的，所述制备再生砂和再生碎石的废弃混凝土来源单一，都来自于原始设计强度C60、使用年限30年的同一批次混凝土，且由同一废弃混凝土破碎厂的同一型号破碎机制备得到；所述配合设计中的用水量考虑了再生细砂和再生粗砂的吸水性；所述来源单一和吸水性的考虑用于降低该可3D打印的高强再生混凝土的变异性，使其变异系数小于5％。
具体的，所述再生细砂和再生粗砂的吸水率为5％-20％，该吸水率在一种可3D打印的高强再生混凝土的制备过程中要特别考虑。若假定一种无再生细砂和再生粗砂的建筑3D打印材料配方中水泥、天然砂、天然碎石、水的用量分别为a、b、c和d，那么当分别以m％和n％的再生细砂和再生粗砂替代天然细砂和天然粗砂后，且假定这种再生细砂和再生粗砂的吸水率为x％和y％，则这种可建筑3D打印材料配方中的用水量将变为W＝d+b*m％*x％+c*n％*y％，与此同时，该配方中的水灰比将由a/d变为a/(d+b*m％*x％+c*n％*y％)。
优选的，所述河砂、石英砂、再生细砂、天然粗砂、再生粗砂的组合方式，是基于Sedran和De%20Larrard方程(参考文献：Larrard%20F%20D,Sedran%20T.Optimization%20of%20ultra-high-performance%20concrete%20by%20the%20use%20of%20a%20packing%20model[J].Cement%20andConcrete%20Research,1994,24(6):997-1009)计算多元组合堆积密度后，得到最佳堆积密度的组合方式；所述硅灰和粉煤灰对组合材料有进一步的微集料填充效应；所述钢纤维用于降低材料脆性；所述组合材料具有细度低、活性高、级配好的特点，使得水化后的组合料内部缺陷减小到最少，以获得该高强再生混凝土的高强特性。
优选的，所述减水剂、纳米黏土和纤维素用于调节该高强再生混凝土的性能，使其流动度控制在160-220mm之间，塑性屈服强度控制在1.5-2.5kPa之间；所述调节后的混合材料易于泵送和挤出，且打印连续、打印尺寸均匀、打印形状稳定，打印窗口时间为30-90min，可连续打印堆叠30层无明显变形，满足3D打印所要求的可泵性、可挤出性和可建造性。
本发明第二个方面公开了一种制备可3D打印的高强再生混凝土的方法，包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、细砂、粗砂、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，即得到一种可3D打印的高强再生混凝土拌合料。
优选的，所述步骤一和步骤二中的搅拌条件为：搅拌速度为650-1200rpm，搅拌时间为3-10min。
本发明第三个方面公开了上述一种可3D打印的高强再生混凝土或上述的制备方法在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：
本发明通过采用高标号水泥，精选粗细砂及钢纤维，进行紧密堆积，并辅以添加剂进行调节，使得该种材料既满足了建筑3D打印油墨可泵送性、可挤出性和可建造性的要求，又具有高强度的优点。该建筑3D高强再生混凝土，解决了目前无筋建造中建筑3D打印材料强度低、易破坏的劣势，有利于建筑3D打印技术从实验室阶段向工程应用阶段的转化；同时，该建筑3D高强再生混凝土使用了大量的粉煤灰、硅灰、再生细砂和再生粗砂，考虑到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
一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、粉煤灰150份、硅灰150份、河砂200份、石英砂400份、再生细砂400份、玄武岩粗砂300份、再生粗砂200份、钢纤维14份、减水剂20份、纳米黏土9.1份、纤维素3.7份、水225份。
其中，水泥为P.I%2062.5级硅酸盐水泥，粉煤灰为I级低钙粉煤灰；硅灰符合CAN/CSAA3000标准规定；河砂细度模数小于2.2，石英砂的SiO2含量大于96％，级配良好，最大粒径600微米；玄武岩粗砂级配良好，粒径范围2.1mm-4.3mm；再生细砂为将将废旧的混凝土破碎得到的粒径为0.6mm-2.1mm的颗粒，属于GB/T%2025176-2010规定的Ⅰ类混凝土和砂浆用再生细骨料，其颗粒级配为1级配区，坚固性指标小于5.0％，压碎指标小于15％；再生粗砂为将废旧混凝土破碎得到的粒径为2.1mm-4.3mm的颗粒；再生细砂和再生粗砂的吸水率分别为12％和7％；上述细砂和粗砂皆粒形良好，杂质含量小于0.1％；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或木质纤维素；水为普通自来水。
上述一种可3D打印的高强再生混凝土的制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、细砂、粗砂、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，即得到一种可3D打印的高强再生混凝土拌合料。其中步骤一、和二中的搅拌条件为：搅拌速度为650-1200rpm，搅拌时间为3-10min。
实施例2
一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥1100份、粉煤灰100份、硅灰100份、河砂200份、石英砂400份、再生细砂400份、玄武岩粗砂300份、再生粗砂200份、钢纤维10份、减水剂17份、纳米黏土8.3份、纤维素3.5份、水265份。
其中，水泥为P.I%2062.5级硅酸盐水泥，粉煤灰为I级低钙粉煤灰；硅灰符合CAN/CSAA3000标准规定；河砂细度模数小于2.2，石英砂的SiO2含量大于96％，级配良好，最大粒径600微米；玄武岩粗砂级配良好，粒径范围2.1mm-4.3mm；再生细砂为将将废旧的混凝土破碎得到的粒径为0.6mm-2.1mm的颗粒，属于GB/T%2025176-2010规定的Ⅰ类混凝土和砂浆用再生细骨料，其颗粒级配为1级配区，坚固性指标小于5.0％，压碎指标小于15％；再生粗砂为将废旧混凝土破碎得到的粒径为2.1mm-4.3mm的颗粒；再生细砂和再生粗砂的吸水率分别为12％和7％；上述细砂和粗砂皆粒形良好，杂质含量小于0.1％；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或木质纤维素；水为普通自来水。
上述一种可3D打印的高强再生混凝土的制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、细砂、粗砂、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，即得到一种可3D打印的高强再生混凝土拌合料。其中步骤一、和二中的搅拌条件为：搅拌速度为650-1200rpm，搅拌时间为3-10min。
实施例3
一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法，以重量份计，包括以下组分：水泥900份、粉煤灰200份、硅灰200份、河砂200份、石英砂400份、再生细砂400份、玄武岩粗砂300份、再生粗砂200份、钢纤维12份、减水剂18.5份、纳米黏土10.3份、纤维素4.3份、水240份。
其中，水泥为P.I%2062.5级硅酸盐水泥，粉煤灰为I级低钙粉煤灰；硅灰符合CAN/CSAA3000标准规定；河砂细度模数小于2.2，石英砂的SiO2含量大于96％，级配良好，最大粒径600微米；玄武岩粗砂级配良好，粒径范围2.1mm-4.3mm；再生细砂为将将废旧的混凝土破碎得到的粒径为0.6mm-2.1mm的颗粒，属于GB/T%2025176-2010规定的Ⅰ类混凝土和砂浆用再生细骨料，其颗粒级配为1级配区，坚固性指标小于5.0％，压碎指标小于15％；再生粗砂为将废旧混凝土破碎得到的粒径为2.1mm-4.3mm的颗粒；再生细砂和再生粗砂的吸水率分别为12％和7％；上述细砂和粗砂皆粒形良好，杂质含量小于0.1％；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或木质纤维素；水为普通自来水。
上述一种可3D打印的高强再生混凝土的制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：步骤一，将水泥、硅灰、粉煤灰、细砂、粗砂、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，即得到一种可3D打印的高强再生混凝土拌合料。其中步骤一、和二中的搅拌条件为：搅拌速度为650-1200rpm，搅拌时间为3-10min。
对照例1
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%2042.5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800-1200rpm，搅拌时间为3-7min。
对照例2
一种普通建筑3D打印再生砂浆，以重量份计，包括以下组分：水泥1000份、天然砂500份、再生砂500份、减水剂1.5份、葡萄糖酸钠0.5份、纳米黏土3.5份、水430份。其中，水泥为P.O%2042.5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％；再生砂为将建筑废旧物破碎成粒径为1.25mm-4.75mm的颗粒，建筑废旧物为废旧混凝土，再生砂的吸水率为5％-15％；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800-1200rpm，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%2042.5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%2062.5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1-3制备得到一种可3D打印的高强再生混凝土和对照例1-4制备得到普通建筑3D打印砂浆、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抗压强度、抗折强度和劈裂强度试验及可3D打印性能和再生废料利用率评估，得到的试验和评估结果如表1所示。
表1各构件样品抗压强度、抗折强度、劈裂强度试验及可3D打印性能和再生废料利用率评估
从表1可以得出，本发明公开的实施例制备的可3D打印的高强再生混凝土材料的抗压、抗折和劈裂强度分别可以达到130MPa、15MPa和9.5MPa，因此，其有利于建筑3D打印技术实现工程高品质应用。
综上所述，本发明提供了一种可3D打印的高强再生混凝土及其制备方法，通过采用高标号水泥，精选粗细砂及钢纤维，进行最优堆积、降低细度、增加活性等方式，并辅以添加剂进行调节，使得该种材料既满足了建筑3D打印油墨可泵送性、可挤出性和可建造性的要求，又达到了高强的特点，其中抗压、抗折和劈裂强度分别可以达到130MPa、15MPa和9.5MPa，有利于建筑3D打印技术从实验室阶段走向工程应用阶段。同时，该建筑3D高强再生混凝土大量的使用了粉煤灰、硅灰、再生砂，考虑到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。
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。
