3D打印植生混凝土pH值的影响因素研究_吕奇峰.pdf

3D 打印植生混凝土 pH 值的影响因素研究吕奇峰，陈安国，戴鹏飞（常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州213164）摘要：采用3D打印工艺，使用普通硅酸盐水泥（OPC）、硫铝酸盐水泥（SAC）、磷酸盐水泥（MPC）制备了3类24组不同配合比的植生混凝土试件，研究了水泥种类、水灰比、砂灰比、缓凝剂掺量等对植生混凝土pH值的影响规律。结果表明：水泥种类对植生混凝土pH值的影响最明显，掺OPC的植生混凝土的碱性最高，SAC次之，MPC最低；植生混凝土的pH值均随水灰比的增加而提高；砂灰比增加会降低植生混凝土的碱性；缓凝剂也会影响植生混凝土的pH值，其中，葡萄糖酸钠和酒石酸可以分别降低掺OPC或SAC的植生混凝土的pH值，而硼砂可以先降低后提高掺MPC的植生混凝土的pH值。关键词：3D打印混凝土；植生混凝土；碱性；硅酸盐水泥；硫铝酸盐水泥；磷酸盐水泥中图分类号：TU528.59文献标识码：Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.07.007.06Study on the influencing factors on the pH value of 3D printed planting concreteLYU Qifeng,CHEN Anguo,DAI Pengfei(School of Environmental and Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)Abstract:Three types of 24 groups of different mix proportions of planting concrete specimens were prepared by 3Dprinted process with ordinary Portland cement(OPC),sulphoaluminate cement(SAC)and phosphate cement(MPC).Theinfluence of cement type,water-cement ratio,sand-cement ratio,and retarder dosage on the pH value of planting concretewas studied.The results show that the type of cement has the most significant impact on the pH value of planting concrete,planting concrete mixed with OPC having the highest alkalinity,followed by SAC,and MPC having the lowest.The pHvalue of planting concrete increases with the increase of water-cement ratio.An increase in the sand-cement ratio willreduce the alkalinity of planting concrete.The retarder can also affect the pH value of planting concrete,among which,sodium gluconate and tartaric acid can respectively reduce the pH value of planting concrete mixed with OPC or SAC,while borax can first reduce and then increase the pH value of planting concrete mixed with MPC.Keywords:3D printed concrete;Planting concrete;Alkalinity;Portland cement;Sulpho-aluminate cement;Magnesia-phosphate cement基金项目：国家自然科学基金项目（51908075）。0引言普通硅酸盐水泥（以下简称OPC）是混凝土常用的胶凝材料之一，其水化产物通常呈强碱性，碱性的混凝土环境可以降低钢筋的锈蚀风险，提高钢筋混凝土结构构件的耐久性能1。但对于有生态功能的植生混凝土结构构件，较强碱性会遏制植物生长2。因此，混凝土的pH值（酸碱度）不仅对钢筋混凝土结构的耐久性能至关重要，且对植生混凝土的功能性有较大影响3-4。关于植生混凝土研究较多的是采用掺入掺合料、外加剂等（矿粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、石灰粉、尿素、碳纳米管、金属离子等5-16）方法改善植生混凝土内部孔隙，从而调节其pH值；还有采用溶液（清水、草酸、柠檬酸、硫酸亚铁等17）浸泡植生混凝土构件，以及碳化的方法来降低植生混凝土表面碱性5；采用不同种类的水泥硫铝酸盐水泥（以下简称SAC）、磷酸盐水泥（以下简称MPC）代替OPC制备植生混凝土，也可以使pH值降低18-21。相比之下，采用不同种类水泥制备植生混凝土对其pH值的降低更明显。因此，研究不同种类水泥对植生混凝土pH值的影响对研制有利于植物生长的植生混凝土尤为重要22。3D打印混凝土技术因具有快速、便捷、绿色环保等优势而受到广泛关注。已有研究表明，采用3D打印工艺生产的部分混凝土构件也可以用于种植植物23。由于3D打印混凝土所用原材料与传统植生混凝土不同。因此，两者的碱性环境可能存在差异。现有研究多是对传统植生混凝土碱性的改善2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly7-图13D打印植生混凝土样品Figure 13D printed planting concrete samples表1植生混凝土的配合比Table 1Mix proportions of planting concrete方法，但有关3D打印植生混凝土（以下简称植生混凝土）的碱性影响因素及改善方法的研究相对较少。因此，本文以OPC、SAC和MPC为主要胶凝材料，制备不同配合比的植生混凝土，研究水泥种类、水灰比、砂灰比、缓凝剂掺量对植生混凝土pH值的影响，并结合X射线荧光分析法（XRF）和X射线衍射法（XRD）对比水泥和植生混凝土的元素和晶体组成，以期为开发植生混凝土提供参考。1试验概况1.1原材料及配合比水泥：强度等级为42.5级的OPC、SAC、MPC。砂：天然河砂，特细砂，细度模数1.3，含泥量2.1%，表观密度2 630 kg/m3，堆积密度1 540 kg/m3。水：自来水。缓凝剂：葡萄糖酸钠（OPC用）；酒石酸（SAC用）；硼砂（MPC用）。采用不同水泥种类，每类水泥选取8种配合比分别研究水泥种类、水灰比、砂灰比、缓凝剂掺量对植生混凝土pH值的影响，具体配合比见表1，其中，缓凝剂掺量为水泥质量的百分比。组别水灰比砂灰比缓凝剂/%水泥/g水/g砂/g葡萄糖酸钠/g酒石酸/g硼砂/gOPC1OPC2OPC3OPC4OPC5OPC6OPC7OPC80.300.350.400.350.350.350.350.350000.51.0000000000.10.30.51 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0003003504003503503503503500005001 000000000001350000000000000000SAC1SAC2SAC3SAC4SAC5SAC6SAC7SAC80.300.350.400.350.350.350.350.350000.51.0000000000.10.30.51 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0003003504003503503503503500005001 000000000000000000013500000000MPC1MPC2MPC3MPC4MPC5MPC6MPC7MPC80.130.140.150.150.150.150.150.150000.51.0000000001351 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001301401501501501501501500005001 0000000000000000000000000001030501.2样品制备将配好的原材料倒入搅拌机搅拌5 min后，由3D打印机打印出长度为20 cm的条状样品，如图1所示。3D打印机采用龙门架式3D打印机，有效打印尺寸为500 mm700 mm450 mm，打印喷头水平移动速度为50 mm/s，挤料速度为1 r/s，打印喷头直径20 mm。打印好后，在恒温、恒湿（202）、95%以上条件下养护28 d，经机械粉碎，筛分出粒径在0.075 mm以下的粉末用于相关测试。1.3性能测试元素相对含量测试：采用XRF测试水泥的化学元素含量，XRF为半定量试验方法，可测得元素周2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期8-（b）晶体组成图3不同水泥植生混凝土样品的pH值和晶体组成Figure 3pH value and crystal compositions of plantingconcrete with different cement（a）pH值（b）晶体成分图2水泥的化学元素及晶体成分Figure 2Chemical elements and crystal compositions ofthe cementCa Si Al S Fe Mg K Ti Na P其他元素OPCSACMPC6050403020100元素含量/%（a）化学元素强度10203040506070802/43 14 431121113223111111121111321654645261461665 42464445 664688888778771硅酸钙2铝酸钙3铁铝酸钙4硫酸钙5石英6硫铝钙石7氧化镁8磷酸二氢铵OPCMPCSACpH值OPCSACMPC组别121086420强度10203040506070802/0磷酸按镁1氢氧化钙2钙矶石3碳酸钙4石英5硅酸钙6硫酸钙7氧化钛8氧化镁9迪磷镁按石OPCMPCSAC期表中FU元素的相对含量。XRD晶体成分测试：测量混凝土pH值的方法对所测结果有一定的影响。常用的测量孔隙水pH值的方法可能会降低混凝土碱性的测量值24，特别是对3D打印混凝土，其配合比特点更适合采用将构件粉碎后再加水测量pH值的方法。因此，取粉碎后植生混凝土粉末样品10 g置于烧杯中，加25 mL蒸馏水，再用搅拌器搅拌2 min，静置30 min，采用电位酸度计测量溶液的pH值。另取3 g相同样品，进行XRD图谱分析，采用Jade软件进行晶体成分分析。2结果与讨论2.1水泥的化学成分和晶体组成不同水泥的XRF及XRD测试结果见图2。由图2（a）可知，OPC所含元素主要为Ca，含量超过50%；SAC中Ca含量虽略有下降，但仍为含量第一多的元素，SAC中Al和S含量有明显提升。由图2（b）可知，OPC所含晶体主要有硅酸钙（硅酸二钙、硅酸三钙）、铝酸钙、铁铝酸钙以及少量硫酸钙，SAC所含晶体包括硫铝酸钙（硫铝钙石）、硫酸钙、铝酸钙、硅酸钙、石英等，而MPC晶体的衍射峰较集中且明显，主要为氧化镁和磷酸二氢铵。2.2水泥种类对植生混凝土pH值的影响根据水泥种类将植生混凝土样品pH值测试数据求平均值和标准差，其结果及不同水泥种类植生混凝土（OPC2、SAC2、MPC3）的XRD图见图3。由图3（a）和计算结果可知，OPC样品的pH值最高，均值为11.7，标准差为0.244；SAC样品的pH值居中，均值为9.92，标准差为0.176；M