3D打印銅尾礦砂混凝土的物理力學性能分析

呂 娜 李 笑 梁霄龍 原 雪 方光秀 宋 兵

(1.新鄉職業技術學院建筑學院,河南 新鄉 453006; 2.河南理工大學土木工程學院,河南 焦作 454000;3.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004;4.吉林化工學院工程管理專業,吉林 吉林 132022;5.延邊大學工學院,吉林 延吉 133002)

增材制造技術通常被稱為3D打印技術,用于在連續層中直接從數字模型制造3D結構。美國測試與材料協會將增材制造技術定義為連接材料以從3D模型數據中制造物體的過程,增材制造技術最初開發于20世紀80年代,已成功應用于航空航天、汽車制造、生物醫學和食品等行業,目前,增材制造技術已成為現代結構中不可或缺的一部分[1-3]。3D打印混凝土因其無模板施工、較少的勞動力需求以及實現建造藝術復雜結構等優勢,已成為建筑行業數字化轉型的顛覆性技術,3D打印技術在建筑行業越來越受歡迎,與將混凝土澆筑到模板中的傳統方法不同,3D打印混凝土將結合數字技術和材料技術,在不使用昂貴模板的情況下進行自由形式施工,使結構或構件的自由度更高[4-6]。趙宇等[7]發現碳納米管(MWCNTs)是一種性能優良的納米材料,將其摻入3D打印混凝土中不僅會對基體內部微裂紋的生成和擴展以及3D打印混凝土的宏觀力學性能產生顯著影響,而且會影響新拌3D打印混凝土的流變性能。孫曉燕等[8]深入研究3D打印混凝土永久模板疊合梁受力性能后認為,打印模板上部層間缺陷是影響疊合梁抗彎承載能力及破壞失效的關鍵部位,3D打印混凝土層條界面幾何尺寸影響疊合梁應力分布。

銅尾礦是銅礦石選礦過程中產生的固體廢棄物,銅尾礦又被稱作銅尾砂,是天然銅礦石經粉碎、選別后產生的粉狀或砂礫狀固體廢棄物。2019年中國固廢處理行業的數據顯示,我國每年銅尾礦排放量已達2.24億t。銅尾礦堆積不僅占用大量農田和林地,而且尾礦中所含的重金屬以及尾礦表面含有的浮選藥劑會對尾礦庫周邊生態環境造成嚴重危害,尾礦的大量堆積也會使得尾礦庫不堪重負,易引發滑坡、泥石流等地質災害[9-12]。王德法等[13]為解決天然砂石量逐漸降低、固體廢棄物日益增加的難題,以銅尾礦為研究對象,用銅尾礦材料替代地聚物混凝土中天然骨料,對銅尾礦地聚物混凝土展開研究,結果表明銅尾礦材料替代地聚物混凝土中的天然骨料具有可行性,銅尾礦地聚物混凝土性能的影響因素排序為:堿激發劑模數>細骨料>粗骨料。朱街祿等[14]研究了銅尾礦的物理、化學性質,對銅尾礦在水泥基材料中的應用進行了分析與展望。銅尾礦含有豐富的礦物成分,可作為礦化劑、鐵質原料、代替黏土生產水泥熟料,銅尾礦可降低水泥熟料燒成溫度,提高熟料質量和產量。銅尾礦含有與火山灰質材料相似的礦物物相,用作混合材可降低水泥生產成本,銅尾礦作為細集料或摻合料用于混凝土,具有較好的強度特性和耐久性能。利用銅尾礦制備加氣混凝土、蒸壓灰砂磚、蒸養標準磚等新型墻體材料,可節約大量能源與資源。

本文選取銅尾礦砂作為細骨料替代部分天然河沙,制備了3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土,銅尾礦砂的替代率分別為0%、10%、20%、30%,對其坍落度、凝結時間、靜態屈服應力、抗壓強度、層間黏結強度進行了測試,分析了力學性能和微觀結構。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強度為49.5 MPa,燒失量為25%。粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰,其28 d活性指數為80%。硅灰:比表面積為23.4 m2/g。銅尾礦砂:表觀密度為2 814 kg/m3,堆積密度為1 145 kg/m3,含泥量為3.8%。試驗物料主要化學成分見表1。河沙:中沙,細度模數為2.75,含泥量為0.7%,堆積密度為1 495 kg/m3。乳膠粉:白色粉末,固含量大于98%。

1.2 配合比

3D打印銅尾礦砂混凝土配合比如表2所示,其中細骨料為銅尾礦砂和天然河沙,銅尾礦砂替代率分別為0%、10%、20%、30%。

1.3 測試方法

3D打印噴頭直徑為15 mm,打印速度為5 cm/s,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的凝結時間測試參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[15],采用貫入阻力儀進行測定,坍落度測試依據GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[16]規定,使用混凝土流變儀對3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土進行流變性能測試,將3D打印混凝土視為賓漢姆流體[17]。靜態屈服應力測試對3D打印混凝土持續剪切60 s,測得其靜態屈服應力。

抗壓強度試驗在萬能試驗機上進行,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[18],測量其養護28 d的抗壓強度,抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,根據GB 50367—2006《混凝土結構加固設計規范》[18]進行界面黏結強度測試,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的體積密度和表觀孔隙率測試的試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm,首先將試件烘干12 h,測定試件的質量M1。將試件在真空壓力容器中浸入水中飽和24 h,并測量飽和樣品的質量M2。然后將飽和試件測定懸浮質量M3。體積密度V和表觀孔隙率P由式(1)和式(2)計算獲得,最后通過掃描電鏡進行微觀性能測試。

2 試驗結果與討論

2.1 坍落度和凝結時間

表3為3D打印銅尾礦細骨料混凝土的坍落度和凝結時間試驗結果。用銅尾礦部分替代細骨料制備的混凝土具有較高的形狀保持能力和良好的泵送性能。銅尾礦摻量的增加降低了3D打印銅尾礦細骨料混凝土的坍落度,與C1組相比,C2、C3和C4組的坍落度分別減小了4.3%、8.0%和11.7%。此外,銅尾礦砂具有高吸水特性,因此坍落度隨著混凝土中銅尾礦砂摻量的增加而降低。另一方面,隨著銅尾礦砂摻量的增加,3D打印混凝土的凝結時間增加,C2、C3和C4組的初凝和終凝時間均高于C1組,C2、C3和C4組混凝土的初凝時間較C1組分別增加了5.5%、11.0%和14.7%,終凝時間較C1組分別增加了3.3%、7.2%和11.2%,凝結時間的增加不會顯著影響3D打印銅尾礦細骨料混凝土的可建造性。

表3 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的坍落度和凝結時間Table 3 Slump and setting time of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.2 靜態屈服應力

圖1為3D打印銅尾礦細骨料混凝土的靜態屈服應力隨時間的變化曲線。可以看出,銅尾礦細骨料混凝土的靜態屈服應力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加。靜態屈服應力被定義為從靜止狀態開始混凝土流動所需的臨界應力,并且靜態屈服應力值與漿料中的游離水含量、顆粒的絮凝和反應過程有關。這里,盡管銅尾礦砂的摻加使混凝土的凝結時間增加,反應速率隨著銅尾礦砂摻量的增加而降低,但由于銅尾礦砂的不規則形狀,吸收了混凝土中的游離水,減少了混凝土中的游離水會加速顆粒之間的內部摩擦,并增加剪切應力和黏度,因此靜態屈服應力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加[19]。

圖1 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的靜態屈服應力Fig.1 Static yield stress of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.3 抗壓強度

圖2為3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的打印方向,圖3為養護28 d后3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土在橫向、縱向、垂直方向和澆鑄成型試件的抗壓強度測試結果。銅尾礦砂摻量為10%的C2組的抗壓強度最高,與C1組相比,C2組的抗壓強度在橫向、縱向和垂直方向上分別提高了6.4%、6.4%和13.3%。銅尾礦砂摻量超過10%時,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土試件的抗壓強度降低。C3組澆鑄成型試件的抗壓強度較C1組降低了4.8%。同時,與C1組相比,3D打印的C4試件在縱向、橫向和垂直方向上的抗壓強度分別降低了9.7%、8.4%和10.7%,抗壓強度降低的原因是銅尾礦砂的水化反應速率較低。因此,當銅尾礦砂摻量超過10%時,混凝土抗壓強度隨著銅尾礦砂摻量的增加而降低。從圖3還可以發現,在所有測試方向上,澆鑄成型試件的抗壓強度均高于3D打印試件的抗壓強度,這可能與打印噴嘴在打印過程中形成的孔隙有關,因此3D打印試件的抗壓強度低于澆鑄成型試件。此外,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土具有各向異性,其中的抗壓強度值隨測試方向的變化而變化。除澆鑄成型試件外,縱向方向上的抗壓強度值在所有混凝土中最高,橫向方向上的抗壓強度值在所有混凝土中最低,縱向方向與打印方向上的一致性決定了其較高的抗壓強度特性,由于在擠出過程的壓力引起的在打印方向上的密實度較高。相比之下,橫向方向上的抗壓強度最低,可能與相鄰打印層之間存在孔隙率或孔隙增加的薄弱層有關[20]。

圖2 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的打印方向Fig.2 Printing direction of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

圖3 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.4 黏結強度

3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土中的層間區域較為薄弱,導致在橫向方向上的黏結強度和抗壓強度較低。銅尾礦砂摻量對3D打印混凝土層間黏結強度的影響測試結果如圖4所示。

圖4 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的黏結強度Fig.4 Bond strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

從圖4可以看出,銅尾礦砂摻量為10%的C2組的黏結強度最高,層間黏結強度隨著銅尾礦砂摻量的增加呈現先增加后降低的趨勢,該趨勢與抗壓強度測試結果一致,與C1組試件相比,C2組的層間黏結強度增加了21%,C3和C4組分別降低了6.5%和17.7%。

2.5 體積密度與表觀孔隙率

圖5為3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土試件的體積密度和表觀孔隙率。通常,3D打印混凝土的表觀孔隙率值大于傳統模鑄試件,這是由于在逐層打印過程中,在打印層之間引入了不可避免的孔隙。研究發現,3D打印混凝土由大量的大孔和不規則形狀的大孔隙組成。根據試驗結果,表觀孔隙率的變化趨勢與抗壓強度規律相似,其中C2組具有最低的表觀孔隙率,C4組具有最高的表觀孔隙率。與對照組C1相比,C2組的表觀孔隙率降低了21.7%,C3組的表觀孔隙率略低于C1組,而C4組的表觀孔隙率較C1組增加了14.0%。這表明摻加少量的銅尾礦砂表現出微填充效應,并降低了3D打印試件的表觀孔隙率。相比之下,過量摻加銅尾礦砂會使3D打印試件的孔隙率增加,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土表觀孔隙率的變化規律與體積密度成反比。

圖5 3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的體積密度和表觀孔隙率Fig.5 Volume density and apparent porosity of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.6 SEM微觀測試分析

3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的SEM微觀照片如圖6所示。C1和C2組顯示出較為致密的微觀結構,隨著銅尾礦砂摻量的提高,可以從C3和C4組中觀察到一些微裂紋和破碎的形態,這可能與3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的抗壓強度和層間黏結強度的降低有關。

3 結 論

(1)用銅尾礦部分替代細骨料制備的混凝土具有較高的形狀保持能力和良好的泵送性能,坍落度隨著混凝土中銅尾礦砂摻量的增加而降低。另一方面,隨著銅尾礦砂摻量的增加,3D打印混凝土的凝結時間增加,凝結時間的增加不會顯著影響3D打印銅尾礦細骨料混凝土的可建造性。銅尾礦細骨料混凝土的靜態屈服應力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加。

(2)銅尾礦砂摻量為10%時,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的抗壓強度最高,銅尾礦砂摻量超過10%時,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土試件的抗壓強度降低。3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土具有各向異性,其中的抗壓強度值隨測試方向的變化而變化。縱向方向上的抗壓強度值在所有混凝土中最高,橫向方向上的抗壓強度值在所有混凝土中最低。

(3)銅尾礦砂摻量為10%時,3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土的黏結強度最高,層間黏結強度隨著銅尾礦砂摻量的增加呈現先增加后降低的趨勢。3D打印銅尾礦砂細骨料混凝土表觀孔隙率的變化規律與體積密度成反比。隨著銅尾礦砂摻量的提高,3D打印混凝土中出現了微裂紋和破碎形態。