3D打印铁尾矿砂混凝土的力学和冻融循环耐久性研究.pdf

Series No.566August 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第566 期2023 年第 8 期收稿日期 2023-02-25基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51911530238)。作者简介 张 宁(1991),男,讲师。3D 打印铁尾矿砂混凝土的力学和冻融循环耐久性研究张 宁1 申彦飞2 吴 凯3(1.赤峰学院资源环境与建筑工程学院,内蒙古 赤峰 024000;2.加拿大阿尔伯塔大学工程学院,阿尔伯塔 埃德蒙顿 T6G2R3;3.太原理工大学土木工程学院,山西 太原 030024)摘 要 研究铁尾矿砂掺量(0%、15%、30%、45%),加载方向(X、Y、Z),养护龄期(3 d、14 d、28 d)对 3D 打印铁尾矿砂混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响。结果表明:随着铁尾矿砂掺量的增加,3D 打印铁尾矿砂混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗压强度均下降,当铁尾矿砂掺量为 45%时,3D 打印混凝土在 X、Y 方向上的劈裂抗拉强度较普通混凝土分别降低了 17.4%、17.6%,3D 打印混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗弯强度较普通混凝土分别提高了25.0%、31.0%和 42.4%;3D 打印铁尾矿砂混凝土较 3D 打印普通混凝土在 X、Y、Z 方向上的抗压强度分别降低了11.1%、19.0%和 3.3%,3D 打印铁尾矿砂混凝土和 3D 打印普通混凝土在 X 方向上的劈裂抗拉强度最高,在 Z 方向上的抗弯强度最高;掺加铁尾矿砂有利于 3D 打印混凝土后期力学性能的提升;经历冻融循环 100 次后,3D 打印铁尾矿砂混凝土在 Z 方向的抗压强度损失率较高,在 Y 方向上的抗弯强度损失率较高。关键词 铁尾矿砂 3D 打印 各向异性 养护龄期 力学性能 冻融循环 中图分类号TU528 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-08-297-06DOI 10.19614/ki.jsks.202308039Mechanical and Freeze-thaw Cycle Durability Study of 3D Printed Iron Tailing Sand ConcreteZHANG Ning1 SHEN Yanfei2 WU Kai3(1.School of Resources,Environment and Architectural Engineering,Chifeng University,Chifeng 024000,China;2.School of Engineering,University of Alberta,Edmonton,Alberta T6G2R3,Canada;3.School of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract To study the effect of iron tailings sand content(0%,15%,30%,45%),loading direction(X,Y,Z)and cu-ring age(3 d,14 d,28 d)on 3D printing iron tails Influence of compressive strength,splitting tensile strength and flexural strength of mineral sand concrete.The results show that with the increase of iron tailing sand content,the compressive strength of 3D printed iron tailings sand concrete in X,Y and Z directions decreases,the splitting tensile strength in the X and Y direc-tions is 17.4%and 17.6%lower than that of ordinary concrete,respectively,and the flexural strength of 3D printed concrete in X,Y and Z directions is 25.0%,31.0%,and 42.4%higher than that of ordinary concrete,respectively.The compressive strength of 3D printed iron tailings sand concrete is 11.1%,19.0%and 3.3%lower than that of 3D printed ordinary concrete in X,Y and Z directions respectively.The splitting tensile strength in the X direction is the highest,and the flexural strength in the Z direction is the highest;the addition of iron tailings sand is conducive to the improvement of the mechanical properties of the 3D printed concrete in the later stage;after experiencing freeze-thaw cycles for 100 times,3D printed iron tailing sand con-crete has a higher loss of compressive strength in the Z-direction and a higher loss of flexural strength in the Y-direction.Keywords iron tailings sand,3D printing,anisotropy,curing age,mechanical properties,freeze-thaw cycle 3D 打印技术被认为是数字化设计的重要标志1,由于其快速成型等突出优势,该技术被广泛应用于航空航天、生物医药、工业制造等领域。近年来,3D 打印技术在建筑领域也取得了一定的应用2-6。3D 打印混凝土是一种基于 3D 打印技术应用于混凝土施工的新材料,该技术是在计算机系统的控制下,将配置好的混凝土通过 3D 打印装置挤出7,3D 打印混凝土技术不需要传统的模板支撑,这是最新的混凝土无模成型技术,3D 打印混凝土材料将向绿色、轻质、高强、快硬、早强方向发展8-9。张耀宇等10发现792掺加适量的减水剂、纤维素醚、可再分散性乳胶粉和速凝剂可有效改善混凝土的可打印性,刘超等11研究了随着打印喷头尺寸的增大,3D 打印混凝土的可建造性增强,打印试件的力学强度提升了 7.5%31.6%,孔隙率和缺陷数量下降。尾矿是矿山最大的固体废物之一。2013 年底,我国的现存尾矿量超过 100 亿 t12,其中铁尾矿作为尾矿中用量较大且利用率较低的尾矿,造成耕地占用、植被破坏和水污染等环境问题,对铁尾矿循环加以利用,既可以减少污染,又可减少过度开采河砂带来的生态破坏等问题13-15。秦毅16得到掺加铁尾矿砂和小粒径的铁尾矿的泡沫混凝土可以有效提升泡沫混凝土的抗冻性能。顾晓薇等17以高硅型铁尾矿砂与粉煤灰复掺替代硅砂制备蒸压加气轻质混凝土,随着铁尾矿砂掺量的增加,抗压强度先增大后降低,随着水胶比的增大,试件的干体积密度和抗压强度逐渐降低。本文选用铁尾矿砂部分替代普通河砂,制备了3D 打印铁尾矿砂混凝土,研究了不同铁尾矿砂掺量,不同加载方向,不同养护龄期等因素对 3D 打印铁尾矿砂混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响,并对 3D 打印铁尾矿砂混凝土经历冻融循环100 次时的质量损失率、抗压强度损失率和抗弯强度损失率进行了研究。1 试验材料与试验方法1.1 试验材料(1)水泥。PO 52.5R 普通硅酸盐水泥,细度1.7%,其化学成分如表 1 所示。表 1 水泥主要化学成分Table 1 Main chemical components of cement%成分CaO SiO2Al2O3MgOFe2O3SO3占比70.624.13.71.21.70.7(2)硅灰。SiO2含量 94%,表观密度 1 649 kg/m3。(3)铁尾矿砂。取自辽宁地区,表观密度 2.76 kg/m3,含水量 4.3%,含泥量 1.2%,不均匀系数14.7,曲率系数 3.1,属中砂,级配良好,其化学成分如表 2 所示。(4)普通河砂。最大粒径为 2.5 mm,其化学成分如表 2 所示。(5)减水剂。聚羧酸类高效减水剂,减水率为35%,固含量为 42%。1.2 试验配合比3D 打印铁尾矿砂混凝土配合比如表 3 所示,其中铁尾矿砂掺量分别为 0%、15%、30%和 45%,水胶表 2 铁尾矿砂和普通河砂化学成分Table 2 Chemical composition of iron tailings sand and common river sand细骨料化学成分/%SiO2CaOMgOAl2O3Fe2O3铁尾矿砂57.86.96.58.49.7普通河砂68.915.72.49.42.7比为 0.2。表 3 3D 打印铁尾矿砂混凝土配合比Table 3 Mix ratio of 3D printing iron tailings sand concretekg/m3试验编号水泥硅灰铁尾矿砂 普通河砂水减水剂IC01 05013708962371.9IC151 0501371347622371.9IC301 0501372696272371.9IC451 0501374034932371.91.3 各向异性由于 3D 打印铁尾矿砂混凝土在空间 X、Y、Z 方向上存在各向异性,因此其加载方向示意如图 1所示。图 1 3D 打印铁尾矿砂混凝土的加载方向示意Fig.1 Schematic diagram of loading direction of 3D printed iron tailings sand concrete1.4 测试方法3D 打印铁尾矿砂混凝土的力学性能测试方法根据GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准18进行测试。其中抗压强度试件和劈裂抗拉强度试件尺寸为 100 mm100 mm100 mm,抗弯强度试件尺寸为100 mm100 mm400 mm,基于3 个变量分别进行力学试验,即铁尾矿砂掺量(0%、15%、30%、45%),加载方向(X、Y、Z),养护龄期(3 d、14 d、28 d)。3D 打印铁尾矿砂混凝土的冻融循环测试方法按照GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准19中的快冻法进行,试件尺寸为40 mm40 mm160 mm,最高温度为 5,最低温度为-18。将测试试件加水后置于冻融机中,在 100次冻融循环后取出试件,测试质量损失率 M、抗压强度损失率 Mc和抗弯强度损失率 Mf。M=m-mfm 100,(1)892总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期式中,m 为冻融前试件的质量,kg;mf为冻融循环 100次时试件的质量,kg。Mc=mc-mfcmc 100,(2)式中,mc为冻融前试件的抗压强度,MPa;mfc为冻融循环 100 次时试件的抗压强度,MPa。Mf=mf-mffmf 100,(3)式中,mf为冻融前试件的抗弯强度,MPa;mff为冻融循环 100 次时试件的抗弯强