3D打印金尾矿砂超高性能混凝土的力学性能研究.pdf
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1、Series No.568October 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第568 期2023 年第 10 期收稿日期 2023-02-28作者简介 朱春红(1977),女,副主任,高级工程师。3D 打印金尾矿砂超高性能混凝土的力学性能研究朱春红1 周 凯2 何 磊3(1.南宁市武鸣区市场检验检测服务中心,广西 南宁 530199;2.广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 530004;3.中国建筑第二工程局有限公司,湖北 武汉 430070)摘 要 采用金尾矿砂替代部分细骨料,利用 3D 打印技术制备成金尾矿砂超高性能混凝土(UHPC),对其可打印性、流变性、可建造性和抗压
2、强度、抗弯强度等力学性能进行了研究。结果表明,初凝时间和终凝时间随着金尾矿砂掺量的增加呈现减小的趋势,流动度和坍落度显著降低;剪切应力随剪切时间先增大,然后逐渐减小到一个稳定值,UHPC 的静态屈服应力随着金尾矿砂掺量的增加而显著增加,金尾矿砂的掺入提高了 UHPC 的动态屈服应力和塑性黏度,G40 组的动态屈服应力和塑性黏度较 G0 组分别提高了 53.6%和 120.1%;当金尾矿砂掺量为 40%时,3D 打印UHPC 的结构变形率降低到 4.5%,金尾矿砂掺量的增加可以减小结构变形;G20 组的抗压强度分别较 G0 组提高了10.6%和 13.3%,当金尾矿砂掺量为 20%时,UHPC
3、的抗压强度和抗弯强度最高,当金尾矿砂的替代率超过 20%时,UHPC 的抗压强度和抗弯强度呈下降趋势。关键词 3D 打印 金尾矿砂 超高性能混凝土 流动度 坍落度 抗压强度 抗弯强度 中图分类号TU528 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-10-259-06DOI 10.19614/ki.jsks.202310036Study on Mechanical Properties of 3D Printing Gold Tailings Ultra High Performance ConcreteZHU Chunhong1 ZHOU Kai2 HE Lei3(1.Market
4、 Inspection and Testing Service Center,Wuming District,Nanning,Nanning 530199,China;2.College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China;3.China Construction Second Engineering Bureau Co.,Ltd.,Wuhan 430070,China)Abstract Gold tailing sand was used to replace some f
5、ine aggregates,and 3D printing technology was used to prepare ul-tra-high performance concrete with gold tailing sand.The printability,rheology,constructability,compressive strength,flexural strength,and other mechanical properties were studied.The results show that the initial setting time and fina
6、l settingtime de-crease with the increase of the mixing amount of gold tailings,and the fluidity and slump decrease significantly;The shear stress first increases with shear time,and then gradually decreases to a stable value.The static yield stress of UHPC increases signifi-cantly with the increase
7、 of the amount of gold tailings added.The addition of gold tailings increases the dynamic yield stress and plastic viscosity of UHPC.The dynamic yield stress and plastic viscosity of G40 group are 53.6%and 120.1%higher than those of G0 group,respectively;When the mixing amount of gold tailings is 40
8、%,the structural deformation rate of 3D printing UHPC decreases to 4.5%.Increasing the mixing amount of gold tailings can reduce structural deformation;The compressive strength of Group G20 is 10.6%and 13.3%higher than that of Group G0,respectively.When the mixing amount of gold tail-ings sand is 20
9、%,the compressive strength and flexural strength of UHPC are the highest.When the replacement rate of gold tailings sand exceeds 20%,the compressive strength and flexural strength of UHPC show a downward trend.Keywords 3D printing,gold tailings sand,ultra high performance concrete,fluidity,slump,com
10、pressive strength,ben-ding strength 作为增材制造手段的 3D 打印技术采用自下而上的制造方法,通过逐层打印将数字模型转化成实体。3D 打印混凝土比传统的混凝土施工更加自动化和智能化,整个 3D 打印过程由计算机程序控制,不需要任何模具,从而提高了施工效率,减少了繁琐的施工工序,节约了人工成本1-3。同时,3D 打印混凝土技术可以打印复杂的异型构件,不仅丰富了建筑的美观性,而且符合社会经济效益4-8。超高性能混凝952土(UHPC)是一种兼具超高强度、优异韧性、高耐久性和良好动态性能的新型水泥基材料9-13,制备 3D打印超高性能混凝土材料可有效推进该技术的工
11、程化发展,而 3D 打印混凝土需具备黏塑性宾汉姆流体特性,宾汉姆流体特性是在新拌状态且在外力作用下的黏塑性浆体的流动性,因此为满足这一特性,需要对 3D 打印混凝土的可打印性和流变性进行深入研究。随着工业的发展和城市化的推进,一方面建筑业对骨料的需求量越来越大,而满足建筑要求的天然资源却越来越少,另一方面产生了越来越多的建筑固体废物和工业固体废物。为了减少天然骨料的开发利用,工业和建筑固体废弃物的再利用是必然趋势14-15。目前,许多学者尝试将金尾矿砂替代细骨料用来制备混凝土,以缓解自然资源匮乏所带来的问题。李志强等16选取水灰比、金尾矿砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量为变量,得到了金尾
12、矿砂再生混凝土抗压强度、抗拉强度两种性能指标,并基于力学性能进行了配比优化组合研究。刘竞怡等17通过改性剂对金尾矿砂进行了表面涂覆改性,将改性后的金尾矿砂取代部分河砂作为全集料进行了混凝土试配试验。结果表明,金矿尾矿砂粒度过细,泥块含量超标,棱角尖锐,直接作为集料对混凝土性能不利,通过改性剂涂覆可有效降低金尾矿砂颗粒间的黏聚力和内摩擦角。本文拟采用金尾矿砂替代部分细骨料,利用 3D打印技术制备成金尾矿砂超高性能混凝土。在金尾矿砂替代率分别为 0%、10%、20%、30%和 40%条件下,对其可打印性、流变性、可建造性和抗压强度、抗弯强度等力学性能进行了研究。1 试验材料与试验方法1.1 试验材
13、料金尾矿砂:表观密度为 2 814 kg/m3,堆积密度为1 145 kg/m3,含泥量为 3.8%,颗粒粒径小于 0.1 mm含量约为 10.4%,0.10.5 mm 含量约为 70.2%,大于 0.5 mm 含量约为 19.4%,细度模数为 1.8,属于细砂。金尾矿砂化学成分分析结果见表 1。表 1 金尾矿砂化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of gold tailings sand%成分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO含量54.88.519.710.43.7 河沙:表观密度为 2 751 kg/m3,堆积密
14、度为1 672 kg/m3,吸水率为 2.3%。河砂化学成分分析结果见表 2。表 2 河沙化学成分分析结果Table 2 Chemical composition analysis results of river sand%成分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO含量60.85.415.714.72.4 水泥:PO 52.5 普通硅酸盐水泥,28 d 抗压强度为 54.5 MPa,28 d 抗折强度为 8.3 MPa。水泥化学成分分析结果如表 3 所示。表 3 水泥化学成分分析结果Table 3 Chemical composition analysis results of cemen
15、t%成分CaOSiO2Fe2O3Al2O3SO3MgO含量58.825.45.44.73.42.1 粉煤灰:级粉煤灰,表观密度为 1.94 g/cm3,CaO 质量分数为 18.9%。减水剂:高效引气减水剂,减水率大于 25%。硅灰:SiO2质量分数为 95%。钢纤维:镀铜圆直钢纤维,长 13.0 mm,直径 0.2 mm,长径比为 65,抗拉强度为 1 100 MPa。1.2 配合比设计3D 打印金尾矿砂 UHPC 的配合比如表4 所示,金尾矿砂的替代率分别为 0%、10%、20%、30%和 40%,制备好的 UHPC 养护28 d 后进行试验。UHPC 的水胶比为 0.2,砂胶比为 1.1
16、,钢纤维体积掺量为 2%。表 4 混凝土的配比Table 4 Concrete mix proportioning组别水泥/(kg/m3)粉煤灰/(kg/m3)硅灰/(kg/m3)金尾矿砂/(kg/m3)河沙/(kg/m3)钢纤维/(kg/m3)水/(kg/m3)减水剂/(kg/m3)G065210418501 0651761858.4G106521041851079581761858.4G206521041852138521761858.4G306521041853207451761858.4G406521041854266391761858.41.3 试验方法3D 打印金尾矿砂 UHPC
17、的凝结时间按照 JGJ/T 702009 中的贯入阻力法测定18,流动度和坍落度测试依据 GB/T 24192005 测定19,可打印性通过062总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期凝结时间、流动度和坍落度来表征。流变性是研究水泥基材料在不同剪切速率下抵抗剪切流动的能力,其中的流变参数分别为静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度,使胶凝材料开始流动的最大剪应力为静态屈服应力,维持材料流动的剪应力为动态屈服应力。剪切速率在 60 s 内从 0 增加到 100 s-1,然后在 60 s内降低为 0,测得 3D 打印金尾矿砂 UHPC 的静态屈服应力、塑性黏度和动态屈服应力。可建
18、造性可通过结构变形率来表征。抗压强度和抗弯强度测试根据 GB/T 500812019 进行20,抗压强度试件采用 100 mm100 mm100 mm 的立方体试件,抗弯强度试件采用 40 mm40 mm160 mm,抗压强度和抗弯强度测试分别在养护龄期 3、7、14 d 和 28 d 进行测试。2 试验结果与讨论2.1 可打印性2.1.1 凝结时间图 1 为金尾矿砂掺量对 3D 打印 UHPC 凝结时间的影响。图 1 金尾矿砂掺量对凝结时间的影响Fig.1 Effect of gold tailings sand mixing amount on setting time 从图 1 可以看出
19、,初凝时间和终凝时间随着金尾矿砂掺量的增加呈现逐渐减小的趋势,这可能是因为在水灰比不变的情况下,金尾矿砂掺量的增加,提高了 UHPC 基体的黏度,金尾矿砂的掺入延缓了胶凝材料的水化过程,更容易形成致密的空间网络体系。2.1.2 流动度与坍落度图 2 为金尾矿砂掺量对 3D 打印 UHPC 流动度和坍落度的影响。从图 2 可以看出,随着金尾矿砂掺量的增加,3D打印 UHPC 的流动度和坍落度显著降低。用金尾矿砂代替河沙来制备 3D 打印 UHPC 可以降低 UHPC基体的流动性,这是由于金尾矿砂的颗粒与天然砂相比更小,当金尾矿砂替代率超过 40%时,UHPC 基体的可挤出性变差,孔隙率变高。相关
20、文献研究表明3D 打印混凝土的工作性能与塑性黏度和屈服应力密切相关21。图 2 金尾矿砂掺量对流动度和坍落度的影响Fig.2 Effect of gold tailings sand mixing amount on fluidity and slump2.2 流变性2.2.1 剪切应力、屈服应力与塑性黏度图 3 为不同金尾矿砂掺量的 3D 打印 UHPC 剪切应力与时间之间的变化曲线。图 3 金尾矿砂掺量对剪切应力的影响Fig.3 Effect of gold tailings sand mixing amount on shear stress 从图 3 可以发现,剪切应力随剪切时间的延长
21、先增大,然后逐渐减小至一个稳定值,剪切应力曲线的峰值代表静态屈服应力。UHPC 的静态屈服应力随着金尾矿砂掺量的增加而显著增加,当金尾矿砂掺量大于 30%时,游离水含量和水化过程中颗粒的絮凝对 UHPC 的静态屈服应力有很大影响。一方面,金尾矿砂可以填充颗粒之间的微孔,从而增加 UHPC基体中颗粒之间碰撞的可能性。因此,UHPC 流动所需的剪切应力增加。另一方面,金尾矿砂由于其较高的比表面积而需要大量的水来润湿表面,这减少了UHPC 基体中游离水的含量并增加了颗粒之间的摩擦。另外,金尾矿砂的掺入会引起胶凝材料的絮凝,有利于增加 UHPC 基体中的内摩擦力。虽然金尾矿砂的掺加可以阻碍胶凝材料的水
22、化,但其对 UHPC的静态屈服应力的影响甚微。表 5 为 3D 打印 UHPC 的动态屈服应力和塑性黏度。金尾矿砂的掺入提高了 UHPC 的动态屈服应力和塑性黏度。金尾矿砂掺量越高,UHPC 的动态屈服应力和塑性黏度越高。此外,UHPC 的流动性与其162 朱春红等:3D 打印金尾矿砂超高性能混凝土的力学性能研究 2023 年第 10 期动态屈服应力和塑性黏度密切相关,UHPC 的流动性随着动态屈服应力和塑性黏度的增加而降低,这可以从图 2 所示的金尾矿砂掺量对 UHPC 流动性的影响中得到证实。与未掺加金尾矿砂的 G0 组相比,G40组的动态屈服应力和塑性黏度分别提高了 53.6%和120.
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