[发明专利]一种用于3D打印的矿渣基胶凝材料及其制备方法

说明书

一种用于3D打印的矿渣基胶凝材料，按照重量份数计包括以下组分：电石渣粉7‑10份、细矿渣浆料36‑132份、超细矿渣浆料7.5‑15份、矿渣粉0‑61.6份、磷石膏5‑15份、碳酸钠3‑7份、触变剂0.01‑0.1份、减水剂0.5‑1.1份、水3.5‑34.3份和河砂190‑210份，所述细矿渣浆料、超细矿渣浆料、矿渣粉均为经多级处理后的矿渣，所述细矿渣浆料和矿渣粉为微米级，所述超细矿渣浆料为纳米级。本发明的矿渣基胶凝材料是由电石渣和矿渣为主要成分制成的一种环境友好性的新型建筑胶凝材料，减少了二氧化碳的排放，并且不会发生碱骨料反应，极具潜力成为水泥的代替品，以优异的挤出性、快硬早强、可塑性好和体积稳定解决了3D打印建筑对材料要求高的问题。

技术领域

本发明涉及3D打印建筑材料领域，尤其涉及一种用于3D打印的矿渣基胶凝材料及其制备方法。

背景技术

3D打印技术其实是快速成型技术的一种，别名“增材制造”形象得反映了它的工作原理：在电脑中输入打印的模型，通过打印机自动将材料堆积或黏合成三维物体，既“分层打印，层层叠加”。

矿渣是在高炉炼铁过程中，铁矿石中含有的SiO₂、Al₂O₃等杂质与熔剂中的CaO、MgO等反应生成硅酸盐熔融物，经水淬处理得到含有较多孔隙且无定形、不规则的副产物。矿渣是具有潜在火山灰性的材料，矿渣在全球每年生产有5亿吨，产量巨大。

电石渣是乙炔生产过程中的副产品，主要成分是氢氧化钙。电石渣主要处置在垃圾填埋场中，由于其高碱度而引起了巨大的环境问题。为了利用电石渣，一些研究人员将电石渣与矿渣一起用作建筑工作中使用的新型胶凝材料，电石渣碱性溶液中的氢氧根离子会破环矿渣中的共价键来激发矿渣的活性，它们的主要反应产物是水化硅酸钙(C-S-H)，与PC的水合产物相似。

磷石膏是磷酸生产过程的副产物，主要成分是CaSO₄，磷石膏中的硫酸盐会诱导钙钒石的形成增强矿渣的溶解形成聚合度更高的三维网状胶凝材料。

碱激发材料主要是铝硅酸盐聚合物，其原材料大部分来自产业废弃物(矿渣、钢渣、磷渣、赤泥、粉煤灰等)和简单、低温处理的天然矿物，经碱性激发剂(氢氧化钠、硅酸钠等)激发生成一种像水泥一样的胶凝材料，碱激发胶凝材料是一种低碳绿色的可持续环境友好型建筑材料，它最有潜力成为水泥的替代品。碱激发胶凝材料与3D打印技术的结合具有极为宽广的发展前景，可以在建筑建造领域发挥各自的优势。

专利CN108658549A公开了一种绿色高性能3D打印混凝土及其制备方法，3D打印胶凝材料包含：硅酸盐水泥，辅助胶凝材料，硫铝酸盐水泥，晶种，3D打印标准砂等。此发明能赋予3D打印混凝土优异的工作性和力学性能，但普通硅酸盐水泥的使用，会造成环境污染加重。

专利CN112062514A公开了一种废弃3D打印混凝土制备3D打印油墨的方法，材料组分包括：水泥、3D打印混凝土再生混合料、植物纤维、偏高岭土、硅灰、水玻璃、减水剂、纤维素等。此发明能够实现3D打印混凝土的循环再生利用，但水玻璃是强碱，环境友好型差且制备过程中的工作性能难以控制。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于3D打印的矿渣基胶凝材料，以电石渣和不同细度的矿渣为主要原料，可制成凝结时间短、早期强度高、可塑性好、体积稳定、和表面光滑的胶凝材料，利于进行3D打印。

本发明的目的之二是提供一种用于3D打印的矿渣基胶凝材料的制备方法，工艺简单，利于推广。