固廢3D打印混凝土性能及經(jīng)濟(jì)效益分析研究

摘要：將固廢材料與3D打印技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)固廢混凝土的循環(huán)利用。首先分析原材料性能特性，探究固廢再生砂生產(chǎn)工藝。然后進(jìn)行相關(guān)配合比設(shè)計(jì)，以黏度、初凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能來(lái)表征建造性能，研究了水膠比、再生砂取代率及纖維用量對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：配合比采用水膠比0.37，再生砂含量100%，纖維用量0.5%。最終通過(guò)分析生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量和經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)比與普通澆筑工藝的差異，提出后續(xù)3D打印混凝土的研究問(wèn)題，為交通行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可行性奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：固體廢棄物3D打印碳排放原材料

中圖分類(lèi)號(hào)：F250

ResearchonthePerformanceandEconomicBenefitAnalysisofSolidWaste3DPrintingConcrete

ZHANGYunliang

ChangzhouHighwayDevelopmentCenter，Changzhou，JiangsuProvince，213000China

Abstract：Thisarticlecombinessolidwastematerialswith3Dprintingtechnologytoachievetherecyclingofsolidwasteconcrete.Firstly，analyzetheperformancecharacteristicsofrawmaterialsandexploretheproductionprocessofsolidwasterecycledsand.Then，relevantmixdesign?;wascarriedouttocharacterizetheconstructionperformancebasedonpropertiessuchasviscosity，initialsettingtime，andcompressivestrength.Theinfluenceofwatercementratio，recycledsandreplacementrate，andfiberdosageonitsmechanicalpropertieswasstudied.Theresultsshowthatthewatercementratiois0.37，therecycledsandcontentis100%，andthefiberdosageis0.5%.Finally，byanalyzingthecarbonemissionsandeconomiccostsduringtheproductionprocess，comparingthedifferenceswithordinarypouringprocesses，researchquestionsonsubsequent3Dprintedconcreteareproposed，layingthefoundationforthefeasibilityofcirculareconomyinthetransportationindustry.

KeyWords：Solidwaste;3Dprinting;Carbonemissions;Rawmaterial

3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志已被廣泛運(yùn)用到工程領(lǐng)域，不僅顯著減少了人力、材料和施工機(jī)械的需求，還有效壓縮了建設(shè)周期，提升了工作效率，從而在建筑的全壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳排放的有效控制。針對(duì)我國(guó)建筑垃圾數(shù)量龐大、固體廢棄物污染嚴(yán)重以及附加利用價(jià)值低的問(wèn)題，將固廢材料與3D打印技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢棄混凝土的高效循環(huán)利用，并獲得了固廢3D打印混凝土的設(shè)計(jì)方法和減碳分析，為行業(yè)推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和提供理論技術(shù)支撐。

1原材料性能特性

1.1材料來(lái)源

本文固廢3D打印混凝土用原材料包括水泥、礦物摻合料（粉煤灰、硅粉、礦粉[1]）、再生砂、纖維等材料。其中再生砂選用常州市厚余養(yǎng)護(hù)工區(qū)提升改造工程的廢棄混凝土，經(jīng)過(guò)分選、破碎、除粉的工藝，得到再生砂作為填充材料。纖維采用聚丙烯纖維，因其具有高延性，有利于延緩3D打印混凝土早期開(kāi)裂，減少干燥收縮的問(wèn)題。

1.2固廢再生砂生產(chǎn)工藝

固廢再生砂生產(chǎn)分三步：分選、破碎、除粉，其工藝流程見(jiàn)圖1所示。首先收集建筑垃圾去雜質(zhì)（鋼筋、木材和塑料等），分選混凝土，再循環(huán)破碎篩分砂，最后對(duì)砂除粉確保高純度。

再生砂的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生10%～20%的石粉，一般采用干法和濕法兩種除塵工藝[2]。綜合對(duì)比干濕法的生產(chǎn)工藝、原材料要求、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇干法分級(jí)機(jī)除粉工藝，其對(duì)再生砂的級(jí)配影響較小。

2固廢3D打印混凝土性能分析

2.1配合比

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究水膠比、再生砂取代率和纖維含量對(duì)打印混凝土性質(zhì)的影響，預(yù)試驗(yàn)分析自變量對(duì)材料黏度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及干燥收縮率的影響。擬定的配合比見(jiàn)表1所示，其中纖維用量為纖維占再生混合料中水泥用量的百分比，水泥、硅灰、礦渣微粉共同組成了水膠比中的膠體[3]。

2.2性能分析

2.2.1試驗(yàn)方法

（1）考慮到3D打印混凝土的自身特性，本文采用十字剪切板試驗(yàn)評(píng)價(jià)其建造性能，記錄混凝土在受到剪切力時(shí)的不排水抗剪強(qiáng)度和靈敏度；（2）對(duì)其工作性能的評(píng)價(jià)采用灌入阻力法，測(cè)定3D打印混凝土的初凝時(shí)間；（3）3D打印在三維方向上的強(qiáng)度存在差異性，因此在評(píng)估混合料抗壓、抗折強(qiáng)度時(shí)，采用S方向作為抗壓試驗(yàn)荷載施加方向，T方向作為抗折試驗(yàn)荷載施加方向；（4）采用水泥膠砂收縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)干縮與抗裂性能，表征混合料的干縮率，測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)條件下，試塊長(zhǎng)度和質(zhì)量變化。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述方案完成了9組試驗(yàn)，相應(yīng)的結(jié)果如表2所示。

黏度分析顯示，水膠比0.35時(shí)，3D打印混凝土黏度較高。隨著水膠比增大、再生砂和纖維用量減少，黏度降低。但黏度過(guò)大不利，6000MPa·s時(shí)擠出性和建造性最佳[4]。推薦配比如下：水膠比0.37，再生砂含量30%，纖維用量0.3%；或水膠比0.37，再生砂含量100%，纖維用量0.5%。

初凝時(shí)間分析顯示，水膠比、再生砂、纖維用量增加均延長(zhǎng)初凝時(shí)間，水膠比影響最顯著。從試驗(yàn)結(jié)果看，較適宜的配合比方案為：水膠比0.37，再生砂含量30%，纖維用量0.3%；或水膠比0.37，再生砂含量70%，纖維用量0.4%。

抗壓強(qiáng)度分析表明，水膠比對(duì)強(qiáng)度影響最大，再生砂次之，纖維影響最小。水膠比與纖維用量負(fù)相關(guān)，再生砂正相關(guān)。水膠比0.37時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度最高。推薦配比如下：水膠比0.37，再生砂含量70%，纖維用量0.4%；或水膠比0.37，再生砂含量100%，纖維用量0.5%。

抗折強(qiáng)度分析表明，三因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度由高到低為：水膠比＞再生砂含量＞纖維用量，其中纖維用量沒(méi)有明顯的影響，水膠比和再生砂含量影響程度呈負(fù)相關(guān)。最佳配合比摻量為水膠比0.37，再生砂含量100%，纖維用量0.5%。

干燥收縮率分析，水膠比增大或纖維用量減少，干縮率增加，水膠比影響顯著，再生砂影響小。最佳配合比為水膠比0.37，再生砂100%，纖維0.5%。

綜合各項(xiàng)性能，最終確定最佳配合比為：水膠比0.37、再生砂100%、纖維0.5%，此配比下3D打印混凝土性能優(yōu)異。

3經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1碳排放分析

本文以混凝土生產(chǎn)階段的碳排放為例，計(jì)算3D打印混凝土在單位配合比下的原材料生產(chǎn)過(guò)程碳排放。與傳統(tǒng)澆筑工藝相比，3D打印混凝土在拌和過(guò)程中減少了人力與模板需求。研究確定各材料的碳排放因子，其中水泥、粉煤灰、硅粉、自來(lái)水、再生砂、纖維、外加劑的碳排放因子分別為735、19.1、14、0.17、3.68、1.03、1.064kgCO2e/t，計(jì)算結(jié)果顯示3D打印混凝土原材料生產(chǎn)階段碳排放為7.723kgCO2e，較傳統(tǒng)工藝[5]高出3.8%，主要源于水泥的高碳排放因子。未來(lái)研究應(yīng)減少水泥用量，提升骨料比例，并利用當(dāng)?shù)毓腆w廢棄物等原材料，確保性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更環(huán)保高效的3D打印混凝土生產(chǎn)。

3.2經(jīng)濟(jì)性分析

將固體廢棄物應(yīng)用到3D打印混凝土技術(shù)中，減少了固體廢棄物運(yùn)輸、填埋或堆砌的費(fèi)用，約60元/m3；相比購(gòu)買(mǎi)天然集料制備的混凝土，利用固體廢棄物作為原材料，可節(jié)約原材料的采購(gòu)費(fèi)用約250元/t；相比傳統(tǒng)混凝土澆筑施工，3D打印無(wú)須立模，減少了模板安裝、拆卸以及人員費(fèi)用，可達(dá)40%。因此，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4結(jié)語(yǔ)

固廢3D打印混凝土具有降低人工成本、縮短建設(shè)周期、節(jié)能減排等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。本文以常州市厚余養(yǎng)護(hù)工區(qū)提升改造過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)分選、破碎和除粉，制備出適用于3D打印的再生砂。系統(tǒng)研究水膠比、再生砂取代率和纖維用量對(duì)混凝土性能影響，進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，確定最佳配合比為：水膠比0.37，再生砂含量100%，纖維用量0.5%。進(jìn)一步探究原材料生產(chǎn)階段的碳排放量和經(jīng)濟(jì)效益，相較于傳統(tǒng)澆筑工藝，增加了3.8%碳排放量，減少了固廢處理費(fèi)用約60元/m3，節(jié)約原材料采購(gòu)費(fèi)用250元/t，節(jié)約人員費(fèi)用40%。建議后續(xù)研究考慮減少水泥的摻量，因地制宜選擇固體廢棄物，以期提升3D打印混凝土的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。

參考文獻(xiàn)

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