一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法

摘要

本发明提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料。本发明进一步提供了一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料的制备方法及其应用、3D打印成型方法。本发明提供的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，充分利用不同类型的工程弃土资源进行自体复配，并结合再生粉体活性及3D打印原位建造优势，解决大量弃土资源无法被有效利用等难题，并且具有低碳、环保、快速建造等优势，有利于工程可持续发展要求和工业化发展趋势，为建筑业减碳要求提供了一定的应用基础，具有较高的经济效益和社会价值。

说明书

技术领域

本发明属于建筑3D打印及固体废弃物资源化的技术领域，涉及一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法。

背景技术

近年来，增材制造技术在建筑领域发展迅速，以逐层堆叠打印成型的3D打印无模施工工艺正在改变传统的建造流程，在材料沉积过程中还可以实现复杂的结构形式。建筑行业利用这种基于可视化的实时打印技术，近年来在全球范围内实现了许多建筑打印项目，也证明了3D打印在建筑中的巨大潜力和可行性。同时，如何将可持续发展理念融入到3D打印的概念中，在保护环境和生态安全条件下进行建筑废弃物再利用正成为十分重要的研究课题。

工程弃土是指暂时无法被有效利用的、废弃的土类物质，其主要基质为各种砂土、壤土和黏土，但往往也混合了某些杂质，例如木、铁、碎石、混凝土、砂浆、塑料以及一些有毒有害的化工物质等。工程弃土是弃土的一种，是指各类建设工程在施工过程中所产生的弃土。新建建筑工程、老旧建筑维护及拆除、地铁隧道开挖、地下管网铺设、桥梁和道路的建设维护拆除等工程都是产生工程弃土的主要来源。此外，运河及航道的疏浚、河流及湖泊底泥的清理也会产生大量弃土。各类来源的弃土约占年建筑垃圾产生总量的50％，主要的处置途径为回填、堆山造景等，但总体利用率较低，浪费严重，应积极开拓更加合理的、高效的、环保的工程弃土利用方式。同时，建筑固废年产量逐年增加，在固废破碎回收过程中不可避免的产生大量的再生粉体。将存量如此巨大的再生粉体和工程弃土结合用作3D打印建筑材料来填补日益匮乏的不可再生资源空缺，有利于建筑业的智能建造转型升级和可持续发展要求，且能在经济和生态等方面带来可观的收益。

现有建筑3D打印技术中常用水泥作为胶凝材料，并加入不同级配的砂类、碎石等作为骨料，并掺入其他外加剂等形成3D打印油墨，如3D打印砂浆，3D打印粗骨料混凝土。

3D打印砂浆以河砂或再生砂等作为细骨料，水泥作为胶凝材料，利用水泥的水化反应产生的C-S-H凝胶将骨料结合起来并逐渐凝结硬化形成3D打印构件及建筑。

3D打印粗骨料混凝土是以不同粒径的级配碎石作为粗骨料，水泥作为胶凝材料，并加入其它可提升强度的掺料，如纤维、纳米材料等，在水化过程中形成具有足够强度的3D打印混凝土构件。

以上述方法制备的油墨材料作为现在3D打印建筑技术中的常用材料，虽然能满足建筑业3D打印过程转型升级的需要，但是传统水泥基材料中水泥的生产必然会带来大量的CO

目前基本没有利用不同种类弃土的复配技术，结合再生粉体存在的部分活性优势进行建筑渣土3D打印的体系方法。

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基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，基于可持续理论，解决了大量弃土和再生粉体资源无法被有效利用等难题，弥补了传统3D打印水泥基材料在工程中作为3D打印油墨的不足之处，具有低碳、环保、快速建造等优势，提升了3D打印建筑的可持续性，可高效打印的环保型油墨材料以实现对工程弃土和再生粉体等建筑固废的资源再利用，并且基于弃土复配和3D打印技术最大限度的发挥固废再利用和原位建造优势。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料，以重量份计，包括以下组分：

高液限黏土粉料：1-2份；

低液限粉土粉料：1份；

木质素磺酸盐：0.005-0.05份；

再生粉体：0.005-0.20份；

再生砂：0.1-0.2份；

纤维素：0.01-0.05份；

短切纤维：0.005-0.015份；

水：0.5-1.0份。

优选地，所述高液限黏土粉料和/或低液限粉土粉料的粒径≤0.2mm。

更优选地，所述高液限黏土粉料和/或低液限粉土粉料的粒径≤0.15mm。

所述高液限黏土粉料和低液限粉土粉料是将工程弃土取样依次经过干燥、破碎、筛分，得到粒径0.2mm以下的粉料，并根据规范JTG E40-2007《公路土工试验规程》中土壤分类方法分为黏土和粉土备用。

上述高液限黏土粉料的高液限是指在图2中，处于A线[Ip＝0.73(W

优选地，上述高液限黏土粉料和低液限粉土粉料按质量比1:1进行复配。

优选地，所述高液限黏土粉料的液限为50-60％，塑性指数为22-35。

优选地，所述低液限粉土粉料的液限为20-40％，塑性指数为1-4。

上述自体复配是指利用不同物理性质的工程弃土作为基体进行混合，并加入其它外加剂以满足工程弃土打印要求。

上述液限是指黏性土处于可塑状态与流动状态之间的界限含水率。上述塑限是指黏性土处于可塑状态与半固体状态之间的界限含水率，塑性指数即液限与塑限的差值。塑性指数越大，表明土的颗粒越细，土处在可塑状态的含水量变化范围就越大。

优选地，所述木质素磺酸盐选自木质素磺酸钙或木质素磺酸钠中的一种。

优选地，所述木质素磺酸盐中木质素含量≥50％。

优选地，所述再生粉体为建筑混凝土废弃物经破碎、研磨成粒径＜0.075mm的细粉料。

优选地，所述再生砂为将建筑混凝土废弃物经破碎、筛分出粒径为0.075-1.18mm的细骨料。

更优选地，所述再生砂的粒径为0.075-0.9mm。

进一步优选地，所述再生砂的粒径为0.075-0.15mm。

优选地，上述再生粉体和再生砂均为饱和面干状态，且母体混凝土来源相同。

上述建筑混凝土废弃物为常规使用的建筑混凝土废弃物。优选地，所述纤维素选自植物纳米纤维素或羟丙基甲基纤维素中的至少一种。

优选地，所述纤维素的粘度为100000-200000mPa·s。

优选地，所述短切纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤维中的至少一种。

优选地，所述短切纤维长度为6-12mm，优选为6mm、9mm、或12mm。优选地，所述水为自来水。

本发明第二方面提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)将工程弃土依次经过干燥、破碎、筛分，分类获得高液限黏土粉料和低液限粉土粉料；

2)将高液限黏土粉料和低液限粉土粉料自体复配后进行第一次搅拌，获得复配基料；

3)在复配基料中加入木质素磺酸盐、再生砂、再生粉体进行第二次搅拌，获得第一混合物；

4)在第一混合物中加入水和纤维素，进行第三次搅拌，获得第二混合物；

5)在第二混合物中加入短切纤维，进行第四次搅拌，以提供油墨材料。

优选地，步骤1)中，所述干燥温度为90-110℃，优选为100℃；所述干燥时间为6-12小时。

优选地，步骤1)中，所述破碎前将非弃土的建筑垃圾舍弃，利于后续的研磨筛分，减小试验误差。

优选地，步骤1)中，所述筛分的筛网孔径为0.10-0.3mm，优选为0.15mm。

优选地，步骤1)中，所述分类根据规范JTG E40-2007中土壤分类方法进行。

优选地，步骤2)中，所述第一次搅拌的时间为5-10分钟。

优选地，步骤3)中，所述第二次搅拌的时间为2-3分钟。

优选地，步骤4)中，所述第三次搅拌的时间为3-5分钟。

优选地，步骤5)中，所述第四次搅拌的时间为5-6分钟。

优选地，步骤2)、3)或4)中，所述第一次搅拌、第二次搅拌、第三次搅拌为常规的低速搅拌。具体搅拌速度为100-200r/min。

优选地，步骤5)中，所述第四次搅拌为常规的中高速搅拌。具体搅拌速度为350-400r/min。

本发明第三个方面提供上述油墨材料在3D打印中的用途。

本发明第四个方面提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料的3D打印成型方法，包括：将所述基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料挤出打印成型，以提供土制构件。

优选地，所述挤出打印成型的条件为：挤出方式为螺杆挤出；挤出头的出口直径为10-50mm；挤出头部位温度控制在35-45℃；螺杆挤出速度为40-50r/min；打印速度为10-20mm/s；挤出压力为0.4-1.8MPa；每层打印高度为10-20mm。

更优选地，所述挤出打印成型的条件为：挤出方式为螺杆挤出，挤出头的出口直径为20-40mm，优选为30mm；挤出头部位温度控制在40℃；螺杆挤出速度为45r/min；打印速度为15mm/s；挤出压力为0.8-1.4MPa；每层打印高度为15mm。

优选地，所述土制构件的养护温度≥5℃。

更优选地，所述土制构件的养护温度为25-30℃。

如上所述，本发明提供的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，充分利用不同类型的工程弃土资源进行自体复配，即通过不同液塑限黏土和粉土的复配，并结合再生粉体活性及3D打印原位建造优势，解决大量弃土资源无法被有效利用等难题，不仅消解了大量的工程弃土固废存量，而且可以发挥黏土的高可塑性优势，研究出一种新的建筑用3D打印工程弃土油墨材料，具有低碳、环保、快速建造等优势。其打印出高质量的3D打印工程弃土构件，将3D打印智能建造技术和固体废弃物资源化结合，实现了对工程弃土的资源再利用，也最大限度的发挥了3D打印原位建造的优势，有利于工程可持续发展要求和工业化发展趋势，不仅可以提升其可持续发展潜力，而且为建筑业减碳要求提供了一定的应用基础，具有较高的经济效益和社会价值。具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，弃土中黏土矿物含量和有机质含量均影响了打印过程中的可挤出性。在工程弃土复配过程中，随着高液限黏土的掺入，改善了低黏性粉土的可塑性，使得自体复配弃土的液限、塑限及塑性指数不同程度的增大，提升了工程弃土的可挤出性，充分发挥工程弃土用于3D打印的有利条件。

(2)本发明提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，油墨材料屈服强度的高低影响弃土打印过程中的可建造性，再生粉体比表面积较大，再生粉体的加入可以在工程弃土复配中可作为一种微集料填充在土颗粒间孔隙处，提升3D打印弃土构件的密实程度。同时，再生粉体中未完全水化的水泥颗粒与水结合也激发了再生粉体的部分火山灰活性，形成附着在颗粒表面的类胶结物质，将不同的工程弃土骨架颗粒黏结在一起形成整体，提升复配弃土可建造性。

(3)本发明提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，再生砂作为细骨料，在工程弃土油墨材料中起到支撑骨架的作用，提升3D打印复配弃土的力学性能。

(4)本发明提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，木质素磺酸盐和纤维素的加入可以提高弃土颗粒和再生砂粉颗粒间的粘结性能，使各组分材料黏结的更加紧密，提升3D打印工程弃土塑性粘度，进一步提升3D打印工程弃土的力学性能。

(5)本发明提供一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，短切纤维的加入可以提高3D打印工程弃土构件的韧性和抗压强度，增强自体复配弃土中高液限黏土和低液限粉土的耦合作用。

附图说明

图1显示为本发明的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料的制备方法的流程图。

图2显示为规范JTG E40-2007中依据的土体分类区间图。

图3显示为本发明中实施例1#和对照例1-4的力学性能试验结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1#

将不同来源工程弃土依次经过在100℃下干燥、破碎、通过0.15mm孔径的筛网筛分，根据图2所示JTG E40-2007土壤分类方法对粉料进行分类，获得高液限黏土粉料和低液限粉土粉料，其中高液限黏土粉料的液限和塑性指数分别为58.6％和33.9，低液限粉土粉料液限和塑性指数分别为35.4％和3.4。

一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料组分，按重量份计，包括以下组分：1份高液限黏土粉料、1份低液限粉土粉料、0.01份木质素磺酸盐、0.03份再生粉体、0.15份再生砂、纤维素0.02份、短切纤维0.008份、水0.8份。

其中，木质素磺酸盐为木质素磺酸钙，木质素含量为62％。再生粉体和再生砂为同源废混凝土破碎而来，均处于饱和面干状态，其中再生粉体粒径＜0.075mm，再生砂粒径为0.075-0.15mm。纤维素为羟丙基甲基纤维素，粘度200000mPa·s。短切纤维为聚丙烯纤维，纤维长度为6mm，纤维强度为110cN/dtex。水为自来水。

一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料制备方法，该方法包括以下步骤：

将高液限黏土粉料和低液限粉土粉料放入搅拌锅中以低速150r/min进行第一次搅拌8min，待其混合均匀后获得复配基料。在复配基料中加入木质素磺酸盐，再生砂和再生粉体进行第二次搅拌，搅拌时间3min，搅拌速度150r/min，获得第一混合物。将纤维素和自来水加入第一混合物进行第三次搅拌，搅拌时间5min，搅拌速度150r/min，获得第二混合物。将短切纤维加入第二混合物中进行第四次搅拌，搅拌时间5min，搅拌速度350r/min，获得所需基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料样品1#，制备流程示意图见图1。

将油墨材料样品1#采用螺杆挤出方式逐层堆叠打印，打印头直径为30mm，挤出头部位温度控制在40℃，螺杆挤出速度为45r/min，打印速度为15mm/s，挤出压力为1.1MPa；每层打印高度为15mm。打印现场环境温度为25℃。程序设定打印规格为X向打印长度1000mm，Y向打印宽度120mm，Z向打印高度120mm，获得打印土制构件1*。打印过程可挤出性良好，X向打印过程中条带连续性较好，无条带断层现象。Z向打印高度有117.3mm，沉降高度约为总高度的2.3％，可建造性良好。同时，将打印土制构件1*切割为尺寸为100×100×100mm的立方体试块进行力学性能测试，并同期浇筑同等尺寸的铸模试件进行对比。经检测，其浇筑试件抗压强度为17.5MPa，3D打印试件Z向抗压强度为13.2MPa。

对照例1

对照例1所用再生砂的粒径为1.5-4.75mm，以重量份计为0.15份，其余组分从取样、制备方法、及打印过程均与实施例1#相同。

对照例2

对照例2所用再生粉体为建筑砖粉，非混凝土粉，粒径小于0.075mm，以重量份计为0.002份，其余组分从取样、制备方法、及打印过程均与实施例1#相同。

对照例3

对照例3材料组分中纤维素按重量份计为0.001份，其余组分从取样、制备方法、及打印过程均与实施例1#相同。

对照例4

对照例4材料组分不含短切纤维，其余组分从取样、制备方法、及打印过程均与实施例1#相同。

对比测试例

将实施例1#和对照例1-4的力学性能试验数据进行对比，具体数据见图3。由图3可知，实施例1#的浇筑试件及3D打印构件的抗压强度均大于对照例1-4，并且浇筑试件的抗压强度要普遍高于3D打印试件。

基于图3的试验结果可知，本发明提出的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料力学性能明显优于对照组。本发明提出的一种基于弃土自体复配技术的掺再生粉体3D打印工程弃土油墨材料及制备方法，较传统3D打印水泥基材料在减碳环保、增强建筑行业可持续性、消解弃土固废资源等方面均有较好的应用前景。本发明的应用和推广，可以扩大我国3D打印建筑的应用范围，为其产业化推广奠定一定的应用基础。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。