3D打印铜尾矿砂混凝土的物理力学性能分析.pdf

Series No.568October 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第568 期2023 年第 10 期收稿日期 2023-05-16基金项目 吉林省教育厅科学研究项目(编号:JJKH20230310SK);吉林省教育科学“十四五”规划重点课题(编号:ZD21062)。作者简介 吕 娜(1990),女,讲师。3D 打印铜尾矿砂混凝土的物理力学性能分析吕 娜1 李 笑2 梁霄龙3 原 雪4 方光秀5 宋 兵4(1.新乡职业技术学院建筑学院,河南 新乡 453006;2.河南理工大学土木工程学院,河南 焦作 454000;3.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004;4.吉林化工学院工程管理专业,吉林 吉林 132022;5.延边大学工学院,吉林 延吉 133002)摘 要 选取铜尾矿砂作为细骨料替代部分天然河沙,制备了 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土,铜尾矿砂的替代率分别为 0%、10%、20%、30%,对其坍落度、凝结时间、静态屈服应力、抗压强度、层间黏结强度进行了测试,分析了力学性能和微观结构。结果表明,铜尾矿砂因其高吸水特性降低了 3D 打印混凝土的坍落度,提高了初凝和终凝时间,凝结时间的增加不会显著影响 3D 打印铜尾矿砂混凝土的可建造性;铜尾矿砂的掺入加速了细骨料颗粒之间的内部摩擦,混凝土的静态屈服应力随着铜尾矿砂掺量的增加而增加;3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土具有各向异性,其中的抗压强度值随测试方向的变化而变化。除浇铸成型试件外,纵向方向上的抗压强度值最高,横向方向上的抗压强度值最低,纵向方向与打印方向上的一致性决定了其较高的抗压强度特性;掺加适量的铜尾矿砂表现出微填充效应,并降低了 3D 打印试件的表观孔隙率,表观孔隙率的变化规律与体积密度成反比,过量的铜尾矿砂混凝土中会观察到明显的微裂纹破碎形貌。关键词 3D 打印技术 铜尾矿 坍落度 凝结时间 静态屈服应力 强度 表观孔隙率 中图分类号TU528 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-10-253-06DOI 10.19614/ki.jsks.202310035Analysis of Physical and Mechanical Properties of 3D Printed Copper Tailings ConcreteL Na1 LI Xiao2 LIANG Xiaolong3 YUAN Xue4 FANG Guangxiu5 SONG Bing4(1.School of Architecture,Xinxiang Vocational and Technical College,Xinxiang 453006,China;2.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;3.China Construction Fifth Engineering Bureau Co.,Ltd.,Changsha 410004,China;4.Engineering Management,Jilin University of Chemical Technology,Jilin 132022,China;5.College of Engineering,Yanbian University,Yanji 133002,China)Abstract Copper tailings sand was selected as a substitute for some natural river sand as fine aggregate to prepare 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete.The substitution rates of copper tailings sand were 0%,10%,20%,and 30%,respectively.The slump,setting time,static yield stress,compressive strength,and interlayer bonding strength were test-ed,and the mechanical properties and microstructure were analyzed.The results indicate that copper tailings reduce the slump of 3D printed concrete due to their high water absorption characteristics,and increase the initial and final setting times.The in-crease in setting time does not significantly affect the constructability of 3D printed copper tailings concrete;The addition of copper tailings accelerates the internal friction between fine aggregate particles,and the static yield stress of concrete increases with the increase of copper tailings content;3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete exhibits anisotropy,and the compressive strength values vary with the direction of testing.Except for the cast specimens,the compressive strength value in the longitudinal direction is the highest,while the compressive strength value in the transverse direction is the lowest.The con-sistency between the longitudinal direction and the printing direction determines its high compressive strength characteristics;The addition of an appropriate amount of copper tailings sand exhibits a micro filling effect and reduces the apparent porosity of the 3D printed specimen.The variation pattern of apparent porosity is inversely proportional to the volume density,while exces-sive copper tailings sand concrete will observe obvious micro crack fragmentation morphology.Keywords 3D printing technology,copper tailings,slump,setting time,static yield stress,strength,apparent porosity352 增材制造技术通常被称为 3D 打印技术,用于在连续层中直接从数字模型制造 3D 结构。美国测试与材料协会将增材制造技术定义为连接材料以从 3D模型数据中制造物体的过程,增材制造技术最初开发于 20 世纪 80 年代,已成功应用于航空航天、汽车制造、生物医学和食品等行业,目前,增材制造技术已成为现代结构中不可或缺的一部分1-3。3D 打印混凝土因其无模板施工、较少的劳动力需求以及实现建造艺术复杂结构等优势,已成为建筑行业数字化转型的颠覆性技术,3D 打印技术在建筑行业越来越受欢迎,与将混凝土浇筑到模板中的传统方法不同,3D 打印混凝土将结合数字技术和材料技术,在不使用昂贵模板的情况下进行自由形式施工,使结构或构件的自由度更高4-6。赵宇等7发现碳纳米管(MWCNTs)是一种性能优良的纳米材料,将其掺入 3D 打印混凝土中不仅会对基体内部微裂纹的生成和扩展以及 3D打印混凝土的宏观力学性能产生显著影响,而且会影响新拌 3D 打印混凝土的流变性能。孙晓燕等8深入研究 3D 打印混凝土永久模板叠合梁受力性能后认为,打印模板上部层间缺陷是影响叠合梁抗弯承载能力及破坏失效的关键部位,3D 打印混凝土层条界面几何尺寸影响叠合梁应力分布。铜尾矿是铜矿石选矿过程中产生的固体废弃物,铜尾矿又被称作铜尾砂,是天然铜矿石经粉碎、选别后产生的粉状或砂砾状固体废弃物。2019 年中国固废处理行业的数据显示,我国每年铜尾矿排放量已达2.24 亿 t。铜尾矿堆积不仅占用大量农田和林地,而且尾矿中所含的重金属以及尾矿表面含有的浮选药剂会对尾矿库周边生态环境造成严重危害,尾矿的大量堆积也会使得尾矿库不堪重负,易引发滑坡、泥石流等地质灾害9-12。王德法等13为解决天然砂石量逐渐降低、固体废弃物日益增加的难题,以铜尾矿为研究对象,用铜尾矿材料替代地聚物混凝土中天然骨料,对铜尾矿地聚物混凝土展开研究,结果表明铜尾矿材料替代地聚物混凝土中的天然骨料具有可行性,铜尾矿地聚物混凝土性能的影响因素排序为:碱激发剂模数细骨料粗骨料。朱街禄等14研究了铜尾矿的物理、化学性质,对铜尾矿在水泥基材料中的应用进行了分析与展望。铜尾矿含有丰富的矿物成分,可作为矿化剂、铁质原料、代替黏土生产水泥熟料,铜尾矿可降低水泥熟料烧成温度,提高熟料质量和产量。铜尾矿含有与火山灰质材料相似的矿物物相,用作混合材可降低水泥生产成本,铜尾矿作为细集料或掺合料用于混凝土,具有较好的强度特性和耐久性能。利用铜尾矿制备加气混凝土、蒸压灰砂砖、蒸养标准砖等新型墙体材料,可节约大量能源与资源。本文选取铜尾矿砂作为细骨料替代部分天然河沙,制备了 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土,铜尾矿砂的替代率分别为 0%、10%、20%、30%,对其坍落度、凝结时间、静态屈服应力、抗压强度、层间黏结强度进行了测试,分析了力学性能和微观结构。1 试验材料与试验方法1.1 试验材料水泥:PO 42.5 普通硅酸盐水泥,28 d 抗压强度为 49.5 MPa,烧失量为 25%。粉煤灰:F 类级粉煤灰,其 28 d 活性指数为 80%。硅灰:比表面积为23.4 m2/g。铜尾矿砂:表观密度为 2 814 kg/m3,堆积密度为 1 145 kg/m3,含泥量为 3.8%。试验物料主要化学成分见表 1。河沙:中沙,细度模数为 2.75,含泥量为 0.7%,堆积密度为 1 495 kg/m3。乳胶粉:白色粉末,固含量大于 98%。表 1 原料化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of raw materials物料各成分含量/%SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO水泥20.45.84.762.54.8铜尾矿砂56.49.73.425.62.7河沙63.17.46.418.73.51.2 配合比3D 打印铜尾矿砂混凝土配合比如表 2 所示,其中细骨料为铜尾矿砂和天然河沙,铜尾矿砂替代率分别为 0%、10%、20%、30%。表 2 3D 打印铜尾矿砂混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of 3D printed copper tailings sand concretekg/m3组别水泥粉煤灰硅灰铜尾矿砂河沙水乳胶粉C1487867508751520.4C24878675887871520.4C348786751757001520.4C448786752636121520.41.3 测试方法3D 打印喷头直径为 15 mm,打印速度为 5 cm/s,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的凝结时间测试参照GB/T 500802002普通混凝土拌合物性能试验方法标准15,采用贯入阻力仪进行测定,坍落度测试依据 GB/T 24192005 水泥胶砂流动度测定方法16规定,使用混凝土流变仪对 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土进行流变性能测试,将 3D 打印混凝土视为宾汉姆流体17。静态屈服应力测试对 3D 打印混凝土持续剪切 60 s,测得其静态屈服应力。452总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期抗压强度试验在万能试验机上进行,按照 GB/T 500812019混 凝 土 物 理 力 学 性 能 试 验 方 法 标准18,测量其养护 28 d 的抗压强度,抗压强度采用100 mm100 mm100 mm 的立方体试件,根据 GB 503672006混凝土结构加固设计规范18进行界面黏结强度测试,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的体积密度和表观孔隙率测试的试件尺寸为 40 mm40 mm40 mm,首先将试件烘干 12 h,测定试件的质量 M1。将试件在真空压力容器中浸入水中饱和 24 h,并测量饱和样品的质量 M2。然后将饱和试件测定悬浮质量 M3。体积密度 V 和表观孔隙率 P 由式(1)和式(2)计算获得,最后通过扫描电镜进行微观性能测试。V=M1M2-M3,(1)P=M2-M1M2-M3 100%.(2)2 试验结果与讨论2.1 坍落度和凝结时间表 3 为 3D 打印铜尾矿细骨料混凝土的坍落度和凝结时间试验结果。用铜尾矿部分替代细骨料制备的混凝土具有较高的形状保持能力和良好的泵送性能。铜尾矿掺量的增加降低了 3D 打印铜尾矿细骨料混凝土的坍落度,与 C1 组相比,C2、C3 和 C4 组的坍落度分别减小了 4.3%、8.0%和 11.7%。此外,铜尾矿砂具有高吸水特性,因此坍落度随着混凝土中铜尾矿砂掺量的增加而降低。另一方面,随着铜尾矿砂掺量的增加,3D 打印混凝土的凝结时间增加,C2、C3 和 C4 组的初凝和终凝时间均高于 C1 组,C2、C3和 C4 组混凝土的初凝时间较 C1 组分别增加了5.5%、11.0%和 14.7%,终凝时间较 C1 组分别增加了 3.3%、7.2%和 11.2%,凝结时间的增加不会显著影响 3D 打印铜尾矿细骨料混凝土的可建造性。表 3 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的坍落度和凝结时间Table 3 Slump and setting time of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete组别坍落度/mm初凝/min终凝/minC1162109152C2155115157C3149121163C41431251692.2 静态屈服应力图 1 为 3D 打印铜尾矿细骨料混凝土的静态屈服应力随时间的变化曲线。可以看出,铜尾矿细骨料混凝土的静态屈服应力随着铜尾矿砂掺量的增加而增加。静态屈服应力被定义为从静止状态开始混凝土流动所需的临界应力,并且静态屈服应力值与浆料中的游离水含量、颗粒的絮凝和反应过程有关。这里,尽管铜尾矿砂的掺加使混凝土的凝结时间增加,反应速率随着铜尾矿砂掺量的增加而降低,但由于铜尾矿砂的不规则形状,吸收了混凝土中的游离水,减少了混凝土中的游离水会加速颗粒之间的内部摩擦,并增加剪切应力和黏度,因此静态屈服应力随着铜尾矿砂掺量的增加而增加19。图 1 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的静态屈服应力Fig.1 Static yield stress of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete2.3 抗压强度图 2 为 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的打印方向,图 3 为养护 28 d 后 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土在横向、纵向、垂直方向和浇铸成型试件的抗压强度测试结果。铜尾矿砂掺量为 10%的 C2 组的抗压强度最高,与 C1 组相比,C2 组的抗压强度在横向、纵向和垂直方向上分别提高了 6.4%、6.4%和13.3%。铜尾矿砂掺量超过 10%时,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土试件的抗压强度降低。C3 组浇铸成型试件的抗压强度较 C1 组降低了 4.8%。同时,与C1 组相比,3D 打印的 C4 试件在纵向、横向和垂直方向上的抗压强度分别降低了 9.7%、8.4%和 10.7%,抗压强度降低的原因是铜尾矿砂的水化反应速率较低。因此,当铜尾矿砂掺量超过 10%时,混凝土抗压强度随着铜尾矿砂掺量的增加而降低。从图 3 还可以发现,在所有测试方向上,浇铸成型试件的抗压强度均高于 3D 打印试件的抗压强度,这可能与打印喷嘴在打印过程中形成的孔隙有关,因此 3D 打印试件的抗压强度低于浇铸成型试件。此外,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土具有各向异性,其中的抗压强度值随测试方向的变化而变化。除浇铸成型试件外,纵向方向上的抗压强度值在所有混凝土中最高,横向方向上的抗压强度值在所有混凝土中最低,纵向方向与打印方向上的一致性决定了其较高的抗压强度特性,由于在挤出过程的压力引起的在打印方向上的密实度较高。相比之下,横向方向上的抗压强度最低,可能与相邻打印层之间存在孔隙率或孔隙增加的薄弱层552 吕 娜等:3D 打印铜尾矿砂混凝土的物理力学性能分析 2023 年第 10 期有关20。图 2 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的打印方向Fig.2 Printing direction of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete图 3 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete2.4 黏结强度3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土中的层间区域较为薄弱,导致在横向方向上的黏结强度和抗压强度较低。铜尾矿砂掺量对 3D 打印混凝土层间黏结强度的影响测试结果如图 4 所示。图 4 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的黏结强度Fig.4 Bond strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete从图 4 可以看出,铜尾矿砂掺量为 10%的 C2 组的黏结强度最高,层间黏结强度随着铜尾矿砂掺量的增加呈现先增加后降低的趋势,该趋势与抗压强度测试结果一致,与 C1 组试件相比,C2 组的层间黏结强度增加了 21%,C3 和 C4 组分别降低了 6.5%和17.7%。2.5 体积密度与表观孔隙率图 5 为 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土试件的体积密度和表观孔隙率。通常,3D 打印混凝土的表观孔隙率值大于传统模铸试件,这是由于在逐层打印过程中,在打印层之间引入了不可避免的孔隙。研究发现,3D 打印混凝土由大量的大孔和不规则形状的大孔隙组成。根据试验结果,表观孔隙率的变化趋势与抗压强度规律相似,其中 C2 组具有最低的表观孔隙率,C4 组具有最高的表观孔隙率。与对照组 C1 相比,C2 组的表观孔隙率降低了 21.7%,C3 组的表观孔隙率略低于 C1 组,而 C4 组的表观孔隙率较 C1 组增加了 14.0%。这表明掺加少量的铜尾矿砂表现出微填充效应,并降低了 3D 打印试件的表观孔隙率。相比之下,过量掺加铜尾矿砂会使 3D 打印试件的孔隙率增加,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土表观孔隙率的变化规律与体积密度成反比。图 5 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的体积密度和表观孔隙率Fig.5 Volume density and apparent porosity of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete2.6 SEM 微观测试分析3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的 SEM 微观照片如图 6 所示。C1 和 C2 组显示出较为致密的微观结构,随着铜尾矿砂掺量的提高,可以从 C3 和 C4 组中观察到一些微裂纹和破碎的形态,这可能与 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的抗压强度和层间黏结强度的降低有关。3 结 论(1)用铜尾矿部分替代细骨料制备的混凝土具有较高的形状保持能力和良好的泵送性能,坍落度随着混凝土中铜尾矿砂掺量的增加而降低。另一方面,随着铜尾矿砂掺量的增加,3D 打印混凝土的凝结时间增加,凝结时间的增加不会显著影响 3D 打印铜尾矿细骨料混凝土的可建造性。铜尾矿细骨料混凝土的静态屈服应力随着铜尾矿砂掺量的增加而增加。(2)铜尾矿砂掺量为 10%时,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的抗压强度最高,铜尾矿砂掺量超过10%时,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土试件的抗压强度降低。3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土具有各向异性,其中的抗压强度值随测试方向的变化而变化。纵向方向上的抗压强度值在所有混凝土中最高,横向方向上的抗压强度值在所有混凝土中最低。(3)铜尾矿砂掺量为 10%时,3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的黏结强度最高,层间黏结强度随着铜652总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期图 6 3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土的 SEM 微观照片Fig.6 SEM micrograph of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete尾矿砂掺量的增加呈现先增加后降低的趋势。3D 打印铜尾矿砂细骨料混凝土表观孔隙率的变化规律与体积密度成反比。随着铜尾矿砂掺量的提高,3D 打印混凝土中出现了微裂纹和破碎形态。参 考 文 献1 NERELLA V N,HEMPEL S,MECHTCHERINE V.Effects of layer-interface properties on mechanical performance of concrete elements produced by extrusion-based 3D-printingJ.Construction and Bu-ilding Materials,2019,205:586-601.2 BUSWELL R A,SOAR R,GIBB A G,et al.Freeform construction:mega-scale rapid manufacturing for constructionJ.Automation in Construction,2007,16(2):224-231.3 HAN Y L,YANG Z H,DING T,et al.Environmental and economic assessment on 3D printed buildings with recycled concreteJ.Jour-nal of Cleaner Production,2020,278(2):123884.4 汤寄予,张亚可,高丹盈,等.3D 打印混凝土研究现状及前景展望J.河南大学学报(自然科学版),2022,52(6):734-744.TANG 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