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CN108178567A - 一种3d打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种3d打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法 Download PDF

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王金邦
程新
杜鹏
刘裕
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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种以矿渣、钢渣为原料的3D打印的碱矿渣水泥混凝土。由以下原料组成：固体颗粒物、碱激发剂、缓凝剂和水，所述碱激发剂质量为固体颗粒物质量的4%～10%，缓凝剂为固体颗粒物质量的0.5‑3.5%，水为固体颗粒物质量的10%～45%。本发明以矿渣粉和钢渣粉为主要原料，采用碱激发技术，制备方法简单、易于操作，不需要高温煅烧，降低了能耗，降低了钢渣等工业废渣排放占用的大量土地，保护和节约了土地。减少了对自然资源的依赖，节约了能源，减少了CO2的排放，减轻了环境污染，且可采用3D打印技术，可以节省建筑及养护时间，减少混凝土结构浇筑拆模时间，提高施工效率，节约材料等优点。

Description

一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种以矿渣、钢渣为原料的3D打印的碱矿渣水泥混凝土。
背景技术
碱矿渣水泥与混凝土具有优良物理力学性能和耐久性能，是节能、利废、环保的新型绿色建筑材料。碱矿渣水泥与混凝土发展至今已有50多年，经过各国学者几代人共同努力，矿渣组成与结构、水化的物理化学基础、水化产物等碱矿渣水泥与混凝土理论基础日趋成熟。碱矿渣水泥与混凝土的难点和疑点（凝结时间控制的问题和发生碱集料反应疑虑）在19世纪八九十年代得到系统的研究。这些成果有力推动了碱矿渣水泥与混凝土的开发与应用。
碱矿渣水泥混凝土具备早期强度高、耐火性能良好、抗渗性能优良、抗海水侵蚀性良等一系列优点，其性能优良，应用范围广，但因其凝结时间不易控制。限制了其应用。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，采用碱激发技术，利用矿渣、钢渣等工业废渣，结合3D打印技术要求，提供了一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法，实现了变废为宝，工艺简单，易于实施。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是，由以下原料组成：固体颗粒物、碱激发剂、缓凝剂和水，所述碱激发剂质量为固体颗粒物质量的4%～10%，缓凝剂为固体颗粒物质量的0.5-3.5%，水为固体颗粒物质量的10%～45%。
所述碱激发剂为固体碱，或固体碱与水玻璃的混合溶液。
所述固体碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠的一种或几种，所述混合溶液为固体碱与水玻璃混合后的模数为0.9-2.0溶液。
所述缓凝剂为碳酸钠、硫酸钠或硼酸钠的一种或几种的混合物，当缓凝剂为两种的混合物时，硼酸钠与硫酸钠或碳酸钠比例为1:1，当缓凝剂为三种的混合物时，硼酸钠与碳酸钠及硫酸钠的比例2:1:1。
所述固体颗粒物由下列重量比的原料组成：矿渣粉40～55份，钢渣粉10～20份、河沙或机制砂15～20份、石灰石骨料5～35份。
所述矿渣粉的比表面积为370～500m2/kg、钢渣粉的比表面积分别为300～450m2/kg。
所述河沙或机制砂的细度模数为2.0-3.0，含泥量低于1.0%。
所述石灰石骨料的粒径为5-10mm。
上述3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土制备方法，其特征是：包括如下步骤：（1）制备混合粉料：分别将矿渣、钢渣粉磨至符合要求，混合均匀，备用；
（2）制备碱激发剂溶液：将固体碱溶于水中制成碱激发剂溶液或者将固体碱溶于水玻璃中制备出规定模数的混合溶液作为碱激发剂溶液，备用；
（3）按照配比称取混合粉料、缓凝剂、河沙或机制砂、石灰石骨料，置于混料机搅拌混合均匀，加入步骤（2）制备的碱激发剂溶液继续搅拌，再加入缓凝剂继续搅拌，混合均匀，然后倒入3D打印机中，按照3D打印机定制程序打印出混凝土。
步骤（1）所述的矿渣、钢渣粉磨后，先在95-110℃下烘干0.5-1.5h，然后再混合均匀，使固体颗粒物混合更为均匀。
步骤（3）所述的搅拌混合时间控制在0.1-0.3小时，使碱激发混凝土获得良好工作性能，其塌落度为150-220mm，其初凝时间根据缓凝剂的掺量可调整为10-30分钟，满足3D打印材料的性能要求。
本发明以矿渣、钢渣为原料，变废为宝，成本低，利用碱激发技术，采用3D打印技术制备混凝土，有效的增加了钢渣、矿渣的利用途径，减轻了其对环境污染影响，为工业废渣的综合利用开辟了一条有效的途径，具有很好的经济和社会效益。本发明制备方法免烧免蒸，工艺简单、易于操作，与传统的混凝土相比，不需要提前安装模具及后续养护的拆模，打印完成后即可制得成品，工作效率高且成品率高。该混凝土无需使用水泥，降低了能耗，节约了能源，减少了CO2的排放，所得混凝土性能优越、污染小、废弃物利用率高。本发明对节约能源、工业废渣利用、保护资源意义重大，符合我国的可持续发展原则。本专利在缓凝剂研发的基础上，制备了一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例一：
混凝土按照下述配方进行实验：矿渣粉40份，钢渣粉10份，普通河砂15份，石灰石35份，碱激发剂为NaOH和模数为3.1～3.4水玻璃的混合溶液，其中NaOH 2份，水玻璃1.5份；水35份，缓凝剂2份，为硼酸钠与硫酸钠的1:1混合物；
3D打印的碱矿渣水泥混凝土制备方法是：
将钢渣粉磨至比表面积为400～420m2/kg，矿渣粉磨至比表面积为390～420 m2/kg，然后将它们置于105℃的烘箱中烘1.5小时左右，混合均匀得混合粉，备用；
按照上述配比准确称量混合粉和普通河沙、石灰石骨料，置于混料机搅拌均匀，将氢氧化钠溶于水玻璃中制成碱激发剂，将碱激发剂和水的混合液加入搅拌均匀的混合物中，搅拌2分钟后，加入缓凝剂继续搅拌8分钟，使它们混合均匀。
称量20kg搅拌均匀的物料置于3D打印机里，预先打开3D打印机，设置好打印图案及程序，开始打印。所得混凝土为条状混凝土，采用层状累加打印方式，打印的混凝土于20℃室温下进行自然养护至规定龄期，并对所得混凝土早期及28天的性能进行测试，试验结果见表1。
表1 3D打印碱矿渣水泥混凝土性能
名称 塌落度/mm 流动度/mm 和易性 1天抗压强度/MPa 3天抗压强度/MPa 28天抗压强度/MPa
碱矿渣水泥混凝土 195 175 良好 41.5 57.5 63.2
实施例二：
混凝土按照下述配方进行实验：矿渣粉45份，钢渣粉15份，普通河砂15份，石灰石25份；碱激发剂6份，为NaOH和水玻璃的混合溶液，模数为2.0，水40份，缓凝剂2.5份，为硼酸钠与碳酸钠的混合物。
3D打印的碱矿渣水泥混凝土制备方法是：
将钢渣粉磨至比表面积为360～410m2/kg，矿渣的比表面积为380～430 m2/kg，然后将它们置于105℃的烘箱中烘1.2小时左右，混合均匀得混合粉，备用；
按照上述配比准确称量钢渣粉、矿渣粉和普通河沙、石灰石骨料，置于混料机搅拌均匀，将氢氧化钠溶于水玻璃中制成碱激发剂，将碱激发剂加入到搅拌均匀的钢渣粉、矿渣粉、河沙、和石灰石的混合物中，搅拌2分钟后，加入水及缓凝剂继续搅拌8分钟，使它们混合均匀。
称量20kg搅拌均匀的物料置于3D打印机里，预先打开3D打印机，设置好打印图案及程序，开始打印。所得混凝土为条状混凝土，采用层状累加打印方式，打印的混凝土于20℃室温下进行自然养护至规定龄期，并对所得混凝土早期及28天的性能进行测试，试验结果见表2。
表2 3D打印碱矿渣水泥混凝土性能
实施例三：
混凝土按照下述配方进行实验：矿渣粉50份，钢渣粉10份，普通河砂20份，石灰石20份；碱激发剂5份，为NaOH和水玻璃（模数为3.1～3.4）的混合溶液，其模数配置为1.5；水42份，缓凝剂2.8份，为硼酸钠与硫酸钠、碳酸钠的混合物。
3D打印的碱矿渣水泥混凝土制备方法是：
将钢渣粉磨至比表面积为370～420m2/kg，矿渣的比表面积为380～420 m2/kg，然后将它们置于105℃的烘箱中烘2.0小时左右，混合均匀得混合粉，备用；
按照上述配比准确称量钢渣粉、矿渣粉和普通河沙、石灰石骨料，置于混料机搅拌均匀，将氢氧化钠溶于水玻璃中制成碱激发剂，将碱激发剂和水的混合液加入搅拌均匀的钢渣粉、矿渣粉、河沙、和石灰石的混合物中，搅拌2分钟后，加入缓凝剂继续搅拌9分钟，使它们混合均匀。
称量20kg搅拌均匀的物料置于3D打印机里，预先打开3D打印机，设置好打印图案及程序，开始打印。所得混凝土为条状混凝土，采用层状累加打印方式，打印的混凝土于20℃室温下进行自然养护至规定龄期，并对所得混凝土早期及28天的性能进行测试，试验结果见表3。
表3 3D打印碱矿渣水泥混凝土性能
本发明以矿渣粉和钢渣粉为主要原料，采用碱激发技术，制备方法简单、易于操作，不需要高温煅烧，降低了能耗。降低了钢渣等工业废渣排放占用的大量土地，保护和节约了土地。减少了对自然资源的依赖，节约了能源，减少了CO2的排放，减轻了环境污染。且可采用3D打印技术，可以节省建筑及养护时间，减少混凝土结构浇筑拆模时间，提高施工效率，节约材料等优点。利用工业废渣制备建筑材料，为建筑废弃物的综合利用开辟了一条有效的途径，具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。
本发明按照预先设计的3D打印方案，快速打印特定形状的混凝土制品，且混凝土制品工作性能优良，产品性能稳定。本发明还提供了该碱矿渣水泥混凝土的制备方法，该方结合3D打印技术利用矿渣制备碱矿渣水泥混凝土，工艺简单，易于实施。

Claims (10)

1.一种3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是，由以下原料组成：固体颗粒物、碱激发剂、缓凝剂和水，所述碱激发剂质量为固体颗粒物质量的4%～10%，缓凝剂为固体颗粒物质量的0.5-3.5%，水为固体颗粒物质量的10%～45%。
2.根据权利要求1所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述碱激发剂为固体碱，或固体碱与水玻璃的混合溶液。
3.根据权利要求2所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述固体碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠的一种或几种，所述混合溶液为固体碱与水玻璃混合后的模数为0.9-2.0溶液。
4.根据权利要求1所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述缓凝剂为碳酸钠、硫酸钠或硼酸钠的一种或几种的混合物，当缓凝剂为两种的混合物时，硼酸钠与硫酸钠或碳酸钠比例为1:1，当缓凝剂为三种的混合物时，硼酸钠与碳酸钠及硫酸钠的比例2:1:1。
5.根据权利要求1所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述固体颗粒物由下列重量比的原料组成：矿渣粉40～55份，钢渣粉10～20份、河沙或机制砂15～20份、石灰石骨料5～35份。
6.根据权利要求5所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述矿渣粉的比表面积为370～500m2/kg、钢渣粉的比表面积分别为300～450m2/kg。
7.根据权利要求5所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土，其特征是：所述河沙或机制砂的细度模数为2.0-3.0，含泥量低于1.0%，所述石灰石骨料的粒径为5-10mm。
8.根据权利要求1所述的3D打印的碱激发矿渣水泥混凝土制备方法，其特征是：包括如下步骤：
（1）制备混合粉料：分别将矿渣、钢渣粉磨至符合要求，混合均匀，备用；
（2）制备碱激发剂溶液：将固体碱溶于水中制成碱激发剂溶液或者将固体碱溶于水玻璃中制备出规定模数的混合溶液作为碱激发剂溶液，备用；
（3）按照配比称取混合粉料、缓凝剂、河沙或机制砂、石灰石骨料，置于混料机搅拌混合均匀，加入步骤（2）制备的碱激发剂溶液继续搅拌，再加入缓凝剂继续搅拌，混合均匀，然后倒入3D打印机中，按照3D打印机定制程序打印出混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是：步骤（1）所述的矿渣、钢渣粉磨后，先在95-110℃下烘干0.5-1.5h，然后再混合均匀，使固体颗粒物混合更为均匀。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是：步骤（3）所述的搅拌混合时间控制在0.1-0.3小时，使碱激发混凝土获得良好工作性能，其塌落度为150-220mm。
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