一种可消纳废弃玻璃粉的3D打印混凝土及其制备方法

本发明涉及一种可消纳废弃玻璃粉的3d打印混凝土及其制备方法，属于混凝土材料及其制备。

背景技术：

1、建筑行业是全球能耗和碳排放的主要来源之一，在发展过程中存在高耗能、高排放的问题，这与全球日益增强的环保意识和绿色低碳发展趋势相悖。我国面临的主要问题为快速发展与环境保护的矛盾以及技术与材料的局限性，尽管国内已经开始研发和推广绿色建筑技术和环保材料，但这些技术和材料在实际应用中还存在一定的局限性和挑战。因此，必须高度重视绿色建筑材料的研发工作，并加大投入力度，以实现建筑行业的绿色转型和可持续发展。

2、水泥作为建筑行业中至关重要的原材料，其性能的持续优化与提升对于行业发展具有不可忽视的价值。而传统的水泥生产过程能耗高且碳排放量大，急需发展新技术以改善这一状况，因此，推动绿色建筑技术的发展和使用绿色建筑材料已成为行业发展的必然选择。废弃玻璃粉是在某些工业生产过程中产生的副产品，通常被视为无用的废物。将其作为一种资源重新利用，不仅可以减少废物处理的环境影响，还有助于减少水泥生产中的能耗和碳排放。

3、目前现有技术在利用废弃玻璃粉替代混凝土方面的研究已经有一定的成果，首先确定了废旧玻璃粉代替部分水泥的可实施性，此后研究出废玻璃粉对水泥基材料工作性的影响规律与其来源、原材料颜色、颗粒形貌、粒径等有关；掺入适量废玻璃粉有利于改善水泥基材料的孔结构，从而提高水泥基材料的抗压强度、抗氯离子渗透性能、抗冻性能、抗硫酸盐侵蚀性能和耐酸性,且废玻璃粉的粒径越小,对水泥基材料各项性能的改善作用相对越好。因此，将废玻璃粉作为辅助胶凝材料合理应用到水泥基材料中，不仅有助于环境保护,而且有助于推动“双碳”目标实现，以实现环境和经济效益最大化。

4、3d混凝土打印技术作为一种新兴建筑技术，由于其允许几何复杂性且显著减少结构环境影响，为许多材料的使用提供了机会。相比传统制造业，3d打印建筑在建筑过程中表现出更高的资源效率，更低的排放、废物产生和资源消耗。3d打印环保混凝土技术在国内外都得到了广泛的研究和应用。国内外的研究都在不断推动技术的进步，提高材料的性能，降低成本，并且在环保和可持续性方面做出了积极的探索。未来的研究可能会集中在提高打印效率、降低成本、扩大应用范围以及制定更全面的行业标准等方面。同时，随着技术的成熟和应用的普及，3d打印环保混凝土有望在建筑行业中发挥更大的作用。以3d打印技术为基础开发出的新型环保混凝土材料，能够充分利用建筑材料生产过程中产生的废料作为原材料，使其具有较好的可循环再生性，是绿色建筑技术的重要组成部分。

5、在过去的研究中，研究人员针对废玻璃粉掺量对混凝土力学性能影响做了广泛研究。研究证实了将废玻璃粉作为补充胶凝材料是有效的。其中，使用适量的废玻璃粉替代水泥使用能够改善混凝土的力学性能。同时，通过对不同替代率玻璃粉混凝土的全生命周期评价分析可知，混凝土中掺加玻璃粉，可以获得良好的环境效益与经济效益。另外，玻璃粉能够有效提升超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度，对超高性能混凝土的流动性影响不大。然而实现3d打印建筑，需要克服两大问题：一、3d打印用材料需要有适宜的流动性。若流动性过大，则会导致在3d打印过程中材料无法堆叠，而流动性过小，则会导致3d打印喷头的堵塞。合适的流动性使得混凝土在从喷头中喷出后即快速凝结。二、打印材料需在喷嘴挤出后迅速提供一定的强度支撑后续堆积的打印材料，并且起强的时间必须足够短，以确保建筑速率。由于废弃玻璃粉具有改善混凝土流变性质能力，因此提供一种能够实现含废弃玻璃粉的混凝土的3d打印技术是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种兼具可打印性、力学性能以及环境效益的3d打印混凝土。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种可消纳废弃玻璃粉的3d打印混凝土，该3d打印混凝土由以下重量份的原料制成：

4、硅酸盐水泥796.45-937份、玻璃粉33.9-140.55份、硫铝酸盐水泥80份、硅灰79.1-113份、水395.5份、河砂1000份、纤维素醚0.45份、减水剂2.26份、消泡剂2.37份、胶粉2.7份；所述玻璃粉粒径范围1.5-20μm，平均粒径为5-6μm。

5、进一步限定，硅酸盐水泥843.3份。

6、进一步限定，玻璃粉93.7份。

7、进一步限定，硅灰113份。

8、进一步限定，硅酸盐水泥为p.o.42.5级普通硅酸盐水泥；硫铝酸盐水泥为42.5级的快硬复合型硫铝酸盐水泥；胶粉为可再分散乳胶粉。

9、进一步限定，河砂为粒径小于5mm的石英砂。

10、进一步限定，减水剂为聚羧酸减水剂。

11、更进一步限定，聚羧酸减水剂为淡黄色粉末状，含固量为98％，减水率为30％。

12、进一步限定，纤维素醚为非离子型、可自由流动的颗粒状疏水改性羟乙基纤维素。

13、进一步限定，玻璃粉由废旧玻璃经过破碎和磨细加工得到。

14、本发明的目的之二是提供一种上述可消纳废弃玻璃粉的3d打印混凝土的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

15、s1，将废旧玻璃经过破碎和磨细加工得到粒径范围1.5-20μm、平均粒径5-6μm的玻璃粉；

16、s2，将硅酸盐水泥、玻璃粉、硫铝酸盐水泥、硅灰、河砂、纤维素醚、减水剂、消泡剂和胶粉倒入搅拌机中，低速干搅1min；

17、s3，将水倒入搅拌机中，继续低速搅拌1min，然后高速搅拌1min，静置0.5min后，再次进行高速搅拌0.5min，得到打印浆料；

18、s4，将打印浆料加入3d打印机料斗中进行打印，得到混凝土试样，对混凝土进行养护，得到可消纳废弃玻璃粉的3d打印混凝土。

19、进一步限定，s1的具体操作过程为：用破碎机将废旧玻璃破碎为粒径小于5mm的废旧玻璃渣，为清除附着在废旧玻璃上的污染物，将玻璃渣用水冲洗，在105℃下烘箱干燥至少24h，随后放入球磨机中研磨18h，过600目标准筛，得到粒径范围1.5-20μm、平均粒径5-6μm的超细废弃玻璃粉。

20、进一步限定，s4中3d打印采用龙门式混凝土3d打印机，打印参数为：螺杆转速0.6-0.75r/s，打印喷嘴水平移动速度50mm/s，水平移动速度20mm/s。

21、进一步限定，s4中养护过程为：3d打印混凝土试件打印完成时不宜移动，应在打印平台上覆膜养护24h至试件基本固化成型，再移至温度20±2℃、湿度不小于95％的标准养护室中养护至28天龄期。

22、有益效果：

23、(1)本发明充分利用废旧玻璃资源，将经过精加工的超细废玻璃粉应用于3d打印混凝土中，采用超细废玻璃粉替代水泥或硅灰，得到具有可打印性，且可消纳废弃玻璃粉，低碳环保的3d打印混凝土材料。

24、(2)本发明在3d打印混凝土中引入废弃玻璃粉，并通过调控其他物料用量，使可打印性与可建造性达到平衡。并利用废弃玻璃粉具有表面光滑、吸水率低的特点，改善打印混凝土的流动性，改善3d打印混凝土的可挤出性，然而其不规则的多棱角颗粒形状在一定程度上会降低新拌打印混凝土的流动性，本发明通过调配其用量，探究废弃玻璃粉改善3d打印混凝土材料可打印性的最优比例，得到兼具可打印性和环境效益的3d打印混凝土。

25、(3)本发明将废旧玻璃进行充分加工得到的超细废弃玻璃粉，不同于粗加工的玻璃粉，其平均粒径小于普通水泥，因此能够充分发挥填料效应，使3d打印混凝土材料内部的颗粒堆积更加密实。同时，超细废弃玻璃粉具有的较大的比表面积能有效地提升废弃玻璃粉的水化反应活性，进而制备一种比普通硅酸盐水泥基3d打印混凝土水化程度高、内部微结构更密实的3d打印废玻璃粉混凝土材料，有效提升抗压强度等力学性能，同时材料孔隙率明显降低，孔结构的细化有利于提升3d打印混凝土材料的耐久性，为工程应用提供技术支持。

26、(4)现有3d打印混凝土材料以普通硅酸盐水泥体系为主，本发明采用废玻璃粉替代水泥，解决了现有普通硅酸盐水泥的生产伴随大量能源消耗与二氧化碳排放，发挥了废玻璃粉在节能减排方面的潜力。同时，合理利用废旧玻璃资源，显著减少工业废物、生活垃圾的堆积，为绿色建筑的研究提供了一个新的方向，从而推动这一领域的技术进步和环保效益的最大化。

27、(5)本发明从材料微观改性机理出发，实现材料宏观力学性能和微观孔结构的改善，同时提高了废旧玻璃资源的循环利用率，为制备可持续3d打印水泥基复合材料奠定研究基础。