本發(fā)明屬于混凝土，尤其涉及一種低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的制備方法。

背景技術(shù)：

1、混凝土3d打印技術(shù)以其智能化、靈活操作、勞動(dòng)力需求低及無(wú)?；娘@著優(yōu)勢(shì)，正逐步革新傳統(tǒng)建筑行業(yè)的施工模式，其中3d打印uhpc(超高性能混凝土)的發(fā)展尤為引人注目。追求uhpc的超高強(qiáng)度與高韌性特性時(shí)，大量鋼纖維的摻入成為必要，然而這不僅增加了材料的復(fù)雜性，更因鋼纖維的高成本而在規(guī)?；a(chǎn)中顯著推高了總體造價(jià)，限制了3d打印uhpc的廣泛應(yīng)用。

2、與此同時(shí)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，廢舊輪胎數(shù)量急劇增加，2023年已突破3.3億條，總重量高達(dá)約1450萬(wàn)噸，這一“黑色污染”問(wèn)題亟待解決。傳統(tǒng)上，廢舊輪胎中的鋼絲多作為廢鋼低價(jià)處理，用于再煉鋼過(guò)程，此舉不僅未能高效利用資源，反而加劇了能源與資源的消耗。值得注意的是，這些廢舊鋼絲與3d打印所需鋼纖維在某些形態(tài)與功能上存在相似性，為降低3d打印uhpc成本提供了新的思路——即將廢舊輪胎中的鋼絲(輪胎鋼纖維)作為增強(qiáng)材料引入砂漿基體，此舉有望顯著降低材料成本。

3、廢舊輪胎鋼纖維是由廢舊輪胎經(jīng)過(guò)加工得到的鋼絲，因輪胎在制造過(guò)程中需要加入鋼絲，以增加輪胎的強(qiáng)度和硬度，故而當(dāng)廢舊輪胎經(jīng)過(guò)處理后能獲得鋼纖維。廢舊輪胎鋼纖維具有高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，將其添加到混凝土中能夠提高混凝土的力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。但是，廢舊輪胎鋼絲的摻入會(huì)導(dǎo)致混凝土的工作性能下降，導(dǎo)致打印困難。因此，如何平衡成本控制與混凝土性能成為了關(guān)鍵挑戰(zhàn)。特別是，如何在降低3d打印uhpc成本的同時(shí)還能維持其良好的擠出性、可建造性、可打印性能以及超高強(qiáng)度與高韌性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的制備方法。本發(fā)明采用廢舊輪胎中的鋼纖維作為增強(qiáng)材料，一方面降低了高性能混凝土的生產(chǎn)成本，另一方面實(shí)現(xiàn)了廢舊輪胎的高效利用；并且，本發(fā)明提供的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土不僅保持了超高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)越性能，還具備優(yōu)異的3d打印能力，解決了傳統(tǒng)超高性能混凝土在3d打印成型方面的技術(shù)難題和輪胎鋼纖維異形所導(dǎo)致的打印困難，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與廢舊資源的循環(huán)利用開(kāi)辟了新途徑。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，按重量份數(shù)計(jì)，包括以下組分：強(qiáng)度等級(jí)不低于52.5等級(jí)的硅酸鹽水泥640～660份，硅灰265～285份，石英粉220～240份，細(xì)骨料430～450份，粗骨料710～730份，再生輪胎鋼纖維39～157份，減水劑25～30份和納米碳酸鈣22～27份。

4、技術(shù)原理：本發(fā)明采用再生輪胎鋼纖維替代傳統(tǒng)生產(chǎn)成本高昂且能耗較大的工業(yè)鋼纖維，不僅大幅度削減了超高性能混凝土的材料成本，而且得益于再生輪胎鋼纖維的異型特征，提升了超高性能混凝土的力學(xué)性能；同時(shí)結(jié)合硅酸鹽水泥、硅灰、石英粉、細(xì)骨料、粗骨料、減水劑和納米碳酸鈣的添加，并調(diào)控各組分的用量配比，最終得到了具有良好的擠出性、可建造性、可打印性能以及超高強(qiáng)度與高韌性的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土。

5、優(yōu)選的，所述再生輪胎鋼纖維的長(zhǎng)度為5～30mm，直徑為0.2～0.22mm，抗拉強(qiáng)度為1500～2200mpa。

6、優(yōu)選的，所述強(qiáng)度等級(jí)不低于52.5等級(jí)的硅酸鹽水泥的粒徑為0.38～83.8μm。

7、優(yōu)選的，所述石英粉的粒徑為3.45～365μm；所述細(xì)骨料的粒徑為83.8～762μm；所述粗骨料的粒徑為762～2600μm；所述石英粉、細(xì)骨料和粗骨料的莫氏硬度均為7.0，密度均為2.65g/cm3。

8、優(yōu)選的，所述硅灰的粒徑為0.14～107μm。

9、優(yōu)選的，所述減水劑為減水率＞25％、溶解固體含量為28.8％、堆積密度為758kg/m3、干燥損失為1.7％、溶解ph值為10.5的三聚氰胺系巴斯夫減水劑。

10、優(yōu)選的，所述納米碳酸鈣的粒徑為10～100nm。

11、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的制備方法，包括以下步驟：

12、(1)將硅酸鹽水泥、硅灰、石英粉、細(xì)骨料、粗骨料和納米碳酸鈣混合，得到混合物料；將減水劑與水混合，得到混合漿料；

13、(2)將所述步驟(1)得到的混合物料和混合漿料混合，得到混合物；

14、(3)將再生輪胎鋼纖維與所述步驟(2)得到的混合物混合，得到所述低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土。

15、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的使用方法，包括以下步驟：將低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土進(jìn)行3d打??；所述3d打印的參數(shù)包括：噴頭直徑10～40mm，擠出速度40～80rpm，水平打印速度30～60mm/s。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

17、本發(fā)明提供的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土采用不低于52.5等級(jí)的硅酸鹽水泥作為膠凝材料，可以使混凝土具有更高的強(qiáng)度和耐久性；硅灰作為超高性能混凝土中的微細(xì)填料，可以填充水泥顆粒間隙，大幅提高了混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度、耐久性及抗?jié)B性能，并加速水泥水化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)水化速率的控制；使用石英粉和石英砂作為填充骨架，進(jìn)一步提高混凝土密實(shí)性能，從而增加強(qiáng)度；減水劑作為超高性能混凝土中的核心添加劑，能夠大幅度減少用水量，同時(shí)增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性和施工性，為uhpc材料提供了理想的可打印操作時(shí)間窗口；納米碳酸鈣能夠填充混凝土內(nèi)部的微小空隙，提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，同時(shí)也能降低混凝土的滲透性，提升其耐久性，納米碳酸鈣還能有效增強(qiáng)混凝土的抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕性能以及抗裂性，從而延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。這些組分協(xié)同作用，確保了c-s-h凝膠與鈣礬石等水化產(chǎn)物同步發(fā)展，構(gòu)建了與打印工藝高度兼容、再生輪胎鋼纖維握裹力強(qiáng)且微觀結(jié)構(gòu)致密的uhpc打印材料。并且，本發(fā)明提供的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土經(jīng)3d打印后，其荷載-跨中位移曲線(xiàn)表現(xiàn)良好，最高彎曲荷載可達(dá)8162.7n，展現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)3d打印uhpc相媲美的超高強(qiáng)度與高韌性特性，為建筑材料的革新與3d打印技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。

18、本發(fā)明提供的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，融合了3d打印技術(shù)和超高性能混凝土(uhpc)，通過(guò)添加少量納米碳酸鈣增強(qiáng)基體密實(shí)度，并利用減水劑調(diào)節(jié)uhpc的固化凝結(jié)與流動(dòng)性，使其適配3d打印工藝需求。引入了再生輪胎鋼纖維作為增強(qiáng)材料，該材料源自廢舊輪胎，不僅極大降低了3d打印uhpc的制造成本，還實(shí)現(xiàn)了環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升。

技術(shù)特征：

1.一種低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，按重量份數(shù)計(jì)，包括以下組分：強(qiáng)度等級(jí)不低于52.5等級(jí)的硅酸鹽水泥640～660份，硅灰265～285份，石英粉220～240份，細(xì)骨料430～450份，粗骨料710～730份，再生輪胎鋼纖維39～157份，減水劑25～30份和納米碳酸鈣22～27份。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述再生輪胎鋼纖維的長(zhǎng)度為5～30mm，直徑為0.2～0.22mm，抗拉強(qiáng)度為1500～2200mpa。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述強(qiáng)度等級(jí)不低于52.5等級(jí)的硅酸鹽水泥的粒徑為0.38～83.8μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述石英粉的粒徑為3.45～365μm；所述細(xì)骨料的粒徑為83.8～762μm；所述粗骨料的粒徑為762～2600μm；所述石英粉、細(xì)骨料和粗骨料的莫氏硬度均為7.0，密度均為2.65g/cm3。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的粒徑為0.14～107μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述減水劑為減水率＞25％、溶解固體含量為28.8％、堆積密度為758kg/m3、干燥損失為1.7％、溶解ph值為10.5的三聚氰胺系巴斯夫減水劑。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土，其特征在于，所述納米碳酸鈣的粒徑為10～100nm。

8.一種權(quán)利要求1～7任意一項(xiàng)所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.權(quán)利要求1～7任意一項(xiàng)所述的低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的使用方法，其特征在于，包括以下步驟：將低成本3d打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土進(jìn)行3d打?。凰?d打印的參數(shù)包括：噴頭直徑10～40mm，擠出速度40～80rpm，水平打印速度30～60mm/s。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種低成本3D打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土的制備方法，屬于混凝土技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用再生輪胎鋼纖維替代傳統(tǒng)生產(chǎn)成本高昂且能耗較大的工業(yè)鋼纖維，不僅大幅度削減了超高性能混凝土的材料成本，而且得益于再生輪胎鋼纖維的異型特征，提升了超高性能混凝土的力學(xué)性能；同時(shí)結(jié)合硅酸鹽水泥、硅灰、石英粉、細(xì)骨料、粗骨料、減水劑和納米碳酸鈣的添加，并調(diào)控各組分的用量配比，解決了傳統(tǒng)超高性能混凝土在3D打印成型方面的技術(shù)難題和輪胎纖維異形所導(dǎo)致的打印困難，最終得到了具有良好的擠出性、可建造性、可打印性能以及超高強(qiáng)度和高韌性的低成本3D打印輪胎纖維增強(qiáng)綠色超高性能混凝土。

技術(shù)研發(fā)人員：張慧,武杰,黃宇劼,喬彥杰,張琛,解敏杰,葛鋮飛,馬春
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8