含砖废料的环保地质聚合物的3D混凝土打印

3D混凝土打印（3DCP）已经在一些国家建筑业应用，同时由于人口增加、快速城市化和基础设施的发展，近几十年来全球废弃物生产大幅增加。在不同的废弃物中，建筑和拆除（C&D）废弃物是对环境的主要威胁之一，因为它在填埋废物中占很大比例。C&D中砖废料的回收非常少，只有一小部分砖废料用于花园装饰，车道和景观美化。因此，将砖块废弃物转化为有价值的资源可能是转移砖块产生的C&D废弃物的潜在解决方案。

1.研究出发点

基于砖废料地质聚合物混凝土，过去的研究表明，地面砖废料的掺入会影响地质聚合物混凝土的早期流变特性。然而，屈服应力和触变性的相应增加是否足以提高3D打印结构的可建造性还有待探索。

2.研究内容

本研究探索了使用地面砖废弃物作为3DCP新兴建筑技术的潜力。制备了四种不同的3D可打印地质聚合物混凝土，其地面砖废弃物比例各不相同。分析并比较了新拌的3D可打印混凝土的流变性能，包括静态屈服应力和粘度参数。此外，还确定了硬化性能，包括三个各向异性方向的抗压强度，层间粘结强度和孔隙率，并将其与不含砖废弃物的3D打印地质聚合物混凝土进行了比较。此外，还评估了3D打印混凝土的微观结构表征。最后，计算了特定的3D地质聚合物混凝土的碳排放量和能耗，并将其与传统的3D打印混凝土进行了比较，以评估环境影响和碳足迹。

表1 3D打印混凝土的混合成分

 

图1 （a）用于本研究的龙门式3D打印机图，（b）挤出机，（c）打印过程

 

图2 层间粘结强度测量

 

图3 （a）7天抗压强度，（b）28天抗压强度

 

图4 3D打印试件的层间粘结强度

 

图5 3D打印地质聚合物混凝土的SEM图像：（a）M₁，（b）M₂，（c）M₃，(d) M₄

主要结论

1. 砖渣掺量的增加导致混凝土的流动性损失，而新拌混凝土的凝结时间随着拌合物中砖渣的增加而增加；

2. 表观粘度和静态屈服强度等流变参数随着地质聚合物中砖渣掺量的增加而增加。这可能是由于混合料失去了承球作用和砖渣的高吸水性所致；

3. 在3D打印试件的抗压强度中观察到各向异性行为；强度最高的是打印方向，而强度最低的是横向方向；

4. 3D打印混凝土的抗压强度随废砖渣掺量的增加而增加，最高可达10 %，继续增加废砖渣掺量，抗压强度性能降低；

5. 3D打印地质聚合物混凝土的层间粘结强度也随着高废砖渣掺量增加（前驱体含量10 %以上）而降低。例如，在28天时，M₄（废砖渣占总量的50 %）的层间粘结强度比对照M₁降低了16 %；

6. 与3D打印混凝土相比，3D打印地质聚合物混凝土的隐含能量和碳足迹降低了60—80 %，但在不同的3D打印地质聚合物中变化微小。