3D打印沙漠砂混凝土的可行性研究

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3D打印沙漠混凝土的可行性研究
孙晓燕,叶柏兴,王海龙,陈龙
(浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310058)
摘要:D打印材料的研发与应用逐渐成为土木建筑等领域的研究热点,利用沙漠砂作为3D打印材料的新型骨料,既能解决建筑用砂匮乏的问题,又能缓解土地荒漠化造成的污染。为了推进建筑结构的绿低碳和智能化发展,从适用性、安全性、经济性和环保性4个方面论证了将沙漠砂混凝土应用于3D打印的可行性。结果表明:沙漠砂与3D打印混凝土细骨料的工程性质相近,可填充打印材料内部的微小空隙,用沙漠砂替代部分骨料,对混凝土强度的影响可控制在5%以内,不显著降低其耐久性能,可降低工程造价;沙漠砂的开采还能起到合理利用自然资源和防沙治沙的作用。
关键词:3D打印;沙漠砂;新型骨料;沙漠砂混凝土
中图分类号:TU528.01文献标识码:A文章编号:1001-702X(2021)05-0038-04
Feasibility analysis of3D printed concrete containing desert sand
SUN Xiaoyan,YE Boxing,WANG Hailong,CHEN Long
(College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou310058,China) Abstract:The development and application of3D printing materials has gradually become a hot topic in the fields of civil engineering and construction.Using desert sand as a new type of aggregate for3D printing materials can not only solve the prob­lem of lack of sand for construction,but also alleviate the pollution caused by desertification.In order to promote the green and low-carbon and intelligent development of building structures,the feasibility of applying concrete containing desert sand to3D printing was discussed in terms of applicability,safety,economy and environmental protection.The results show that the engineering properties of desert sand and3D printed concrete fine aggregates are similar.They can fill the tiny voids inside the printed mate­rials and replace part of the aggregate with desert sand.The impact on concrete strength can be controlled within5%without sig­nificantly reducing its durability,and the project cost can be reduced.The mining of desert sand can also play a role in rational use of natural resources and sand prevention and control.
Key words:3D printing,desert sand,new type of aggregate,concrete containing desert sand
0引言
2013年4月,我国首次在《国家高技术研究发展计划》和《国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中提出以3D打印技术推动制造业转型;2015年2月,《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》将3D打印正式升格为国家战略,全方位推进制造产业升级;2016年8月,住房城乡建设部下发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》
基金项目:国家自然科学基金项目(52079123)
收稿日期:2020-08-04;修订日期:2021-03-19
作者简介:孙晓燕,女,1976年生,博士,副教授,主要研究方向为3D 打印智能建造。通讯作者:王海龙,博士,教授,地址:杭州市余杭塘路866号,E-mail:**************。对3D打印技术积极开展设备、材料研发,结合BIM技术应用,探索建筑结构设计、生产,实施应用技术。基于传统建材发展3D打印混凝土结构,是土建行业建造智能化发展的迫切需求,可以有效解决传统建筑施工手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题,在建筑个性化设计、信息化建模、智能化建造方面具有显著优势。
近年来,国内外研究者在3D打印混凝土工作性能研究方面取得了一些成果z,3D打印混凝土的可打印性
、可建造性和力学强度均己满足智能建造需求。为缓解建筑用砂不足和绿可持续发展,马国伟等冋评估了基于3D打印工艺的以替代物分别为铜尾矿和陶砂的胶凝材料的工作性能,结果表明,铜尾矿打印混凝土的流动性随着铜尾矿替代率的增加而增大,可建造性则相反;中陶砂更适于作为3D打印陶砂混凝土材料。李腾卩研发了用再生细骨料配制3D打印材料的配合
孙晓燕,等:3D打印沙漠砂混凝土的可行性研究
比,研究发现,再生骨料替代率与抗折强度整体负相关。Ding 等冏研究了3D打印再生细骨料混凝土的早期强度,试验得出,再生细骨料对打印混凝土的早期强度发展起到加速作用,可提供更好的可建造性。Rahul和Santhanam[9]探索了含有轻质膨胀黏土骨料制备混凝土的可打印性,研究发现,当轻质膨胀黏土骨料替代率超过30%时易导致打印喷嘴的堵塞。尽管如此,在现有的条件下,对满足3D打印工艺的新型骨料的探索仍具有重要意义。
沙漠砂是地表岩层风化过程的产物,由沙漠砂部分或者全部替代建筑用砂制备而成的混凝土叫作沙漠砂混凝土。目前,中国叫阿曼叭毛里塔尼亚旧、利比亚问等多地己经在建筑方面开始了使用沙漠砂混凝土的尝试。为了合理利用资源和缓解沙漠化问题,本文探讨与论证以沙漠砂为细骨料应用于3D 打印混凝土的可行性,为3D打印新材料的研发提供借鉴。
1适用性研究
1.1建筑用砂的现状
随着全国各地基建项目的快速发展,各种建构筑物的建设对混凝土的需求量不断增加,导致河砂的需求量也与日俱增。河砂属于严重短缺的不可再生资源,大规模开采河砂可能会对动植物造成严重的负面影响,随着我国加强河湖采砂综治整理,科学合理的采砂和严厉打击非法采砂的推进,导致现阶段河砂的开采量大幅减少,供不应求,这种强烈的供不应求的情况促使河砂价格飞涨,进口河砂地区快速蔓延,工程建设成本不断增加。
1.2沙漠砂的现状
全球沙漠面积约为6100万km2,占地近41%的地球陆地和影响世界人口大约38%叫第五次《中国荒漠和沙化状况公报》监测结果表明,我国沙化土地面积达172.12万km2^,新疆、青海等地的沙漠砂资源丰富,但是利用率极低。沙漠砂本身是由松散母岩风化而成,自身强度略低于机制中砂叭与河砂相比,沙漠砂具有细度模数较小,吸水率高,强度、硬度不足等特点。过量掺入沙漠砂的混凝土会增加水泥用量,降低抗压强度,既不经济,也不安全。如表1所示,沙漠砂的细度模数相对较小,因此,按一定质量比将沙漠砂和普通天然中、粗砂混
表1各地沙漠砂的性能参数
参考文献沙漠砂种类细度模数吸水率/%马映昌[18]毛乌素沙漠砂0.240-
李志强[19]古尔班通沙漠砂0.334-
Luo F J[20]澳大利亚中部沙漠砂  1.009  3.92
Benabed B[21]阿尔及利亚南部砂漠砂0.780  2.50
Al-Harthy A S[11]阿曼东部沙漠砂0.45~0.880~2.04合使用,可填充混凝土骨料之间的微小空隙,对混凝土的抗压强度有一定的提高叭
1.3材料的匹配度
3D打印混凝土为了适应泵送挤出、轮廓成型工艺等工作性能,而取消了粗骨料。目前,3D打印水泥基复合材料所用的骨料最大粒径一般小于2mm^,相对而言,沙漠砂的粒径极小,使用沙漠砂替代部分骨料可填充打印材料内部的微小空隙,使打印材料更加均匀和密实,提高打印材料的工作性能和力学性能。此外,随着建筑用砂供需关系矛盾的加大,寻求一种新骨料代替建筑用砂的重要性日益凸显。我国沙漠砂资源丰富,沙漠砂的工程性质与混凝土中的细集料具有相似的特
点㈣,是沙漠砂应用于3D打印材料的重要前提。
2安全性研究
2.1沙漠砂混凝土的研究现状
2.1.1力学性能
为探究沙漠砂混凝土替代普通混凝土的可行性,生兆亮
等[26对比了以沙漠砂和石英砂分别为骨料的混凝土力学性能,结果表明:相对于石英砂混凝土,沙漠砂混凝土的轴心抗压强
度和立方体抗压强度分别降低了17.42%和3.86%,但劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高了1.49%和11.53%。李志强等帀0!研究了不同沙漠砂替代率的混凝土的力学性能,结果表明:当沙漠砂替代率在40%以内时,混凝土立方体的抗压强度、和易性均随着沙漠砂替代率的增加而逐渐增加;随着沙漠砂替代率的增加,混凝土的弹性模量、能量耗散能力和延性呈先增大后减小的趋势。陈美美等m和李帅雄等网通过研究不同材料及其掺量,综合考虑抗压强度和工作性,发现沙漠砂替代率为25%~ 30%时沙漠砂混凝土的工作性能较好。Luo等^201改变水灰比和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土进行了研究,证明了适当控制水灰比可使砂漠砂替代混凝土中的细骨料而不造成不利影响。上述研究中各种沙漠砂制备的混凝土抗压强度如表2所示,表2沙漠砂混凝土的抗压强度
参考文献沙漠砂种类
沙漠砂
替代率/%
抗压强度
/MPa 生兆亮西古尔班通古特沙漠砂10042.11
李志强[27-29]古尔班通古特沙漠砂0~10035.59~45.96王娜冋撒哈拉沙漠砂6146.1~66.2刘海峰[30]毛乌素沙漠砂0~10058.5~81.7陈美美[31]腾格里沙漠砂0~2537.8~54.8李帅雄[32]塔克拉玛干沙漠砂0~3032.9~51.8 Luo F J[20]澳大利亚中部红沙漠砂23~4244.3~58.4 Benabed B[21]阿尔及利亚南部沙漠砂0~10045.2~55.3 Al-Harthy A S[11]阿曼东部沙漠砂0~10035.8~49.0
孙晓燕,等:3D打印沙漠砂混凝土的可行性研究
沙漠砂混凝土的抗压强度随沙漠砂替代率等因素的变化而变化,其强度可以满足不同工程的要求。
为探究最佳的沙漠砂替代率,李志强等叫刘海峰等叭
Benabed等[21]和Al-Harthy等1吩别采用古尔班通古特沙漠砂、毛乌素沙漠砂、阿尔及利亚南部沙
漠砂、阿曼东部沙漠砂,研究了不同沙漠砂替代率对混凝土抗压强度的影响,结果如图1所示,对比文献中的相对抗压强度(即不同沙漠砂替代率的混凝土与普通混凝土的28d抗压强度之比可知,随着沙漠砂种类和替代率的不同,沙漠砂混凝土的抗压强度最多降低了19%,但控制沙漠砂的掺量可以使沙漠砂混凝土的抗压强度损失减小到5%以内,甚至使其抗压强度有所提高。
图1不同沙漠砂替代率混凝土的相对抗压强度
2.1.2耐久性能
耐久性能是研究混凝土材料在工程应用中的重要保障,随着沙漠砂混凝土的发展,许多学者对其耐久性能进行了研究。王娜和李斌[12碉整混合料级配、水灰比和减水剂用量,制备了和易性好、抗裂性能强、抗硫酸盐侵蚀性能优异的C50高强沙漠砂混凝土。马荷姣等[33]通过改变不同材料及其掺量的抗碳化试验,发现沙漠砂替代率对混凝土的抗渗性能影响较小。杨浩等[34]的研究发现,沙漠砂粒径较小有利于混凝土内部的密实性,但由于其并不参与混凝土内部的反应,因此其影响较小。杜勇刚等閃研究了不同粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土抗冻性能的影响,结果表明,保持粉煤灰掺量不变,随着沙漠砂替代率的增加,不同冻融循环次数后沙漠砂混凝土的质量损失率递增,相对动弹性模量先增加后减小,相比于普通混凝土,沙漠砂混凝土的抗冻性能较差。马映昌等何探讨了低温作用对不同沙漠砂替代率混凝土强度的影响,研究发现,低温下与低温后2种工况下,沙漠砂混凝
土的抗压强度随着沙漠砂替代率的增加呈现先提高后降低的趋势,级配良好的沙漠砂混凝土在低温下的工作性能优于普通混凝土。崔壮等切对现有研究进行进行总结发现,完全采用沙漠砂配制的混凝土耐久性较差,可采用掺入适量的矿物掺合料、不同长度和不同种类的纤维和部分替代天然砂的方法来提高沙漠砂混凝土的耐久性能。
2.1.3其它性能
除了混凝土力学性能与耐久性能之外,建筑结构对混凝土的其它性能也有一定的要求。针对沙漠砂混凝土的其它性
能,王国庆等㈣对比了普通混凝土和普通砂取代率为50%的沙漠砂混凝土抗震性能,结果表明,沙漠砂混凝土的消耗地震能力较强,抗震性能和试件延性较好。李志强等側研究了沙漠砂替代率变化对耗能能力和刚度衰减等性能的影响规律,结果表明,随着沙漠砂替代率的增加,沙漠砂混凝土的弹性模量、能量耗散能力和延性都呈先增加后降低的趋势。李志强等
何和董存等[38]研究了沙漠砂混凝土梁的抗弯承载力,结果表明,沙漠砂混凝土梁的破坏形式和破坏机理与普通混凝土基本相同,均符合平截面假定。
2.2性能的匹配度
现有研究验证了沙漠砂作为替代材料进行工程建造的可行性,并对耐久性和结构性能进行了一些技术探索。在强度方面,沙漠砂混凝土的抗压强度为32.9~81.7MPa,适宜的沙漠砂替代率能使混凝土的强度损失率在5%以内,甚至有所提高,可满足一般工程的要求。在耐久性方面,沙漠砂混凝土在低温作用下的工作性能较好,抗冻性能较差,抗渗和抗碳化性能与普通砂混凝土相近,但可以通过改变沙漠砂掺量、加入纤维等方式来提高沙漠砂混凝土的耐久性能。在结构受力方面,沙漠砂混凝土的抗震性能较好,抗弯性能与普通砂混凝土相近。沙漠砂混凝土的力学性能、耐久性能和结构性能均可满足大部分工程的要求,为沙漠砂应用于3D打印材料提供了重要保证。
3经济性和环保性研究
3.1经济性
目前,河砂的供应量不足,机制砂需大型机器加工、绿发展水平低,海砂的淡化成本高。沙漠砂资源丰富,开采方便,无需大型机器和淡化成本,对降低工程造价具有重要意义。黄
强等[39总结了沙漠砂的特征及效益,发现不计治沙效益,单选沙漠砂在经济上也基本可行。朱腾明等㈣证明了沙漠砂混凝
土在工程应用上良好的经济效益。王娜和李斌[12研究发现,使用沙漠砂混凝土既能缩短工期,又能将每平方米混凝土的成
本降低&7%。Al-Harthy等[11啲研究表明,当其它骨料变得不经济时可采用沙漠砂代替。
3.2环保性
采用沙漠砂替代河砂,能大大减小河砂的需求量,防止过度开采河砂而导致生态平衡的破坏。沙漠砂开采可以起到防沙治沙的作用,减缓沙漠化造成的污染叫对保护自然环境和
孙晓燕,等:3D打印沙漠砂混凝土的可行性研究
柔性线路合理开发利用自然资源具有深远的影响。
4结语
绿化、低碳化和高效化是未来发展的趋势,混凝土3D 打印己逐渐成为当下研究热点,但目前建筑用砂己供不应求,河砂等建筑用砂的过度开采易导致生态破坏等连锁反应,资源丰富但利用率极低的沙漠砂或可成为打印混凝土骨料的新选择。在工程性质方面,沙漠砂与3D打印混凝土细集料的细度和强度相近;在强度与耐久性方面,与普通混凝土相比,随着沙漠砂替代率的变化,沙漠砂混凝土的强度损失可减小到5%以内,其抗碳化性能、抗渗性能和低温工作性能等耐久性方面无显著降低;从经济环保方面,结合使用沙漠砂作为3D 打印材料的骨料,可改善建筑用砂不足的困境、缩短工期、降低造价和缓解沙漠化造成的污染。沙漠砂与3D打印技术的结合满足绿低碳建筑化和建筑工业化的发展要求但目前对此的研究仍是寥寥无几,亟待研发适用于3D打印工艺的沙漠砂混凝土材料。
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辛宇,等:硅藻土对轻骨料混凝土抗冻性的影响及微观机理分析
大量的圆形颗粒,此颗粒即为硅藻土颗粒,对轻骨料混凝土的孔隙起到了良好的填充作用,且硅藻土与水泥的二次水化作
用使得混凝土内部结构的连续性更加明显。图3(a)中水泥石结构较疏松,强度较低,混凝土内部孔隙中虽有水化产物填充,但填充完全程度并不明显,大颗粒的钙矶石结晶颗粒使得
孔壁结构更加疏松,因此经200次冻融循环后未掺硅藻土试件的力学性能明显低于掺1.5%硅藻土的试件。
4结论
(1)硅藻土掺量不同,轻骨料混凝土的力学性能随冻融循环次数的变化幅度不同,硅藻土掺量并不是越大越好,当其掺
量为1.5%时,冻融循环作用后混凝土的相对动弹性模量和抗压强度最高,峰值应变最小,抗冻性最佳。
rct-341
(2)经历150次冻融循环后,硅藻土掺量为1.5%的轻骨料混凝土质量损失率为0.398%、相对动弹性模
量为97.3%、峰值应变为2.26X10-3、极限抗压强度为41.3MPa,与未掺硅藻土的轻骨料混凝土相比,质量损失率减小了62.1%、相对动弹性模量增大了2.3%、峰值应变减小了45.1%、极限抗压强度提高了40.5%。
3)硅藻土能够改善轻骨料混凝土中骨料和水泥胶凝材料之间的界面结构,填充在轻骨料混凝土内部的孔隙中,增加混凝土密实性;且硅藻土能够促进水泥的二次水化反应,二次水化的絮状产物使轻骨料混凝土的连续性和密实性进一步增强,因此抗冻性得到明显改善。
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