Модифицированные гипсоцементно-пуццолановые бетоны для 3D-печати

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Технология строительной 3D-печати методом послойной экструзии является инновационным и перспективным способом возведения зданий и сооружений. В качестве сырьевых смесей в данной технологии широкое применение нашли составы мелкозернистых бетонов на основе портландцемента. Альтернативой применению цементного вяжущего является использование гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, которое позволяет в значительной степени снизить стоимость готовой продукции и соответственно повысить ее конкурентоспособность. Представленные на строительном рынке смеси на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего не в полной мере отвечают требованиям технологии аддитивного строительного производства. Достижение оптимальных показателей гипсоцементно-пуццолановых смесей в аддитивном строительном производстве возможно путем регулирования содержания мелкого заполнителя в составе мелкозернистых бетонов, а также применения многокомпонентных модифицирующих добавок. Целью проведенного исследования явилась разработка модифицированных гипсоцементно-пуццолановых бетонов для 3D-печати на основе оптимизации содержания заполнителя и полифункциональной комплексной добавки, обеспечивающих оптимальные реотехнологические свойства сырьевых смесей и технологические характеристики готовых изделий. Формование образцов при проведении экспериментальных исследований осуществлялось методом послойной экструзии на цеховом строительном 3D-принтере АМТ S-6044. Разработаны модифицированные гипсоцементно-пуццолановые бетоны для 3D-печати с повышенными предельным напряжением сдвига смеси (87,6 Па), формоустойчивостью (23 см), средней плотностью композита (1920 г/м3), пределами прочности при изгибе (8,4 МПа) и сжатии (30,6 МПа) и водостойкостью (0,85). Доказана возможность направленного регулирования структуры и свойств гипсоцементно-пуццолановых смесей и бетонов за счет синергетического воздействия компонентов разработанной полифункциональной комплексной добавки, включающей водный раствор поликарбоксилатного эфира, сополимер на основе эфиров карбоновых кислот, гомогенную смесь олигоэтоксисилоксанов. Полученные результаты согласуются с результатами выполненного дифференциального термического анализа модифицированного гипсоцементно-пуццоланового камня.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Х. Мухаметрахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: muhametrahimov@mail.ru

канд. техн. наук 

Россия, Казань

Р. З. Рахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: rahimov@kgasu.ru

д-р техн. наук

Россия, Казань

А. Р. Галаутдинов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: galautdinov89@mail.ru

канд. техн. наук

Россия, Казань

Л. В. Зиганшина

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: lilya0503199@gmail.com

канд. техн. наук

Россия, Казань

Список литературы

  1. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П. Аддитивное строительное производство: исследование эффекта анизотропии прочностных характеристик бетона // Строительные материалы. 2022. № 9. С. 18–24. doi: 10.31659/0585-430X-2022-806-9-18-24
  2. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А. Аддитивное строительное производство: особенности применения технологии // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 7. C. 70–78. doi: 10.33622/0869-7019.2023.07.70-78
  3. Акулова И.И., Славчева Г.С., Макарова Т.В. Технико-экономическая оценка эффективности применения 3D-печати в жилищном строительстве // Жилищное строительство. 2019. № 12. С. 52–56. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
  4. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адамцевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производства // Жилищ- ное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
  5. Мальцева Е.В., Дмитриев А.В. Концепция развития аддитивных технологий в индивидуальном жилом строительстве // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 12–17. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-12-17
  6. Rehman A.U., Birru B.M., Kim J.-H. Set-on-demand 3D Concrete Printing (3DCP) construction and potential outcome of shotcrete accelerators on its hardened properties. Case Studies in Construction Materials. 2023. Vol. 18, pp. e01955. doi: 10.1016/j.cscm.2023.e01955
  7. Li S., Nguyen-Xuan H., Tran P. Digital design and parametric study of 3D concrete printing on non-planar surfaces. Automation in Construction. 2023. Vol. 145, pp. 104624. doi: 10.1016/J.AUTCON.2022.104624
  8. Славчева Г.С., Бритвина Е.А., Шведова М.А., Юров П.Ю. Влияние дозировки и гранулометрии наполнителей на показатели экструдируемости смесей для 3D-печати // Строительные материалы. 2022. № 1–2. С. 21–29. doi: 10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-21-29
  9. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Реологическое поведение дисперсных систем для строительной 3D-печати: проблема управления на основе возможностей арсенала «Нано» // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2018. Т. 10. № 3. С. 107–122. doi: 10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122
  10. Мухаметрахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Влияние портландцементов с различным минералогическим составом на основные свойства композитов, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати) // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. № 2 (56). С. 37–49. doi: 10.52409/20731523_2021_2_37
  11. Bozzano F., Esposito C., Mazzanti P., Innocca F., Romeo S. Urban engineered slope collapsed in Rome on February 14th, 2018: Results from remote sensing monitoring. Journal of Geosciences. 2020. Vol. 10. No. 9. doi: 10.3390/geosciences10090331
  12. Патент РФ 2794037. Способ 3D-печати бетоном с длительным технологическим перерывом / Мухамет- рахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Заявл. 01.11.2022. Опубл. 11.04.2023.
  13. Kuznetsov D.V., Klyuev S.V., Ryazanov A.N., Sinitsin D.A., Pudovkin A.N., Kobeleva E.V., Nedoseko I.V. Dry mixes on gypsum and mixed bases in the construction of low-rise residential buildings using 3D printing technology. Construction Materials and Products. 2023. Vol. 6. No. 6. doi: 10.58224/2618-7183-2023-6-6-5
  14. Рязанов А.Н., Шигапов Р.И., Синицин Д.А., Кинзябулатова Д.Ф., Недосеко И.В. Использо- вание гипсовых композиций в технологиях строительной 3D-печати малоэтажных жилых зданий. Проблемы и перспективы // Строительные материалы. 2021. № 8. С. 39–44. doi: 10.31659/0585-430X-2021-794-8-39-44
  15. Xue W., Twenda C., Shahria Alam M., Xu L., Wan Z. Experimental study on seepage characteristics and stress sensitivity of desulfurization gypsum based concrete under triaxial stress. Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 24, pp. 6425–6437. doi: 10.1016/J.JMRT.2023.04.241
  16. Fu J., Haeri H., Sarfarazi V., Asgari K., Marji M. F. The shear behaviors of concrete-gypsum specimens containing double edge cracks under four-point loading conditions. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2022. Vol. 119, pp. 103361. doi: 10.1016/j.tafmec.2022.103361
  17. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История композиционных минеральных вяжущих веществ. СПб.: Лань, 2023. 268 с.
  18. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И. Состояние и тенденции развития промышленности гипсовых строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 44–46.
  19. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История науки и техники. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: Лань, 2022. 528 с.
  20. Chernysheva N., Shatalova S., Lesovik V., Kozlov P. Deformation characteristics of dense and foamed mortars based on cement and gypsum-to-cement binders for 3D printing. Construction and Building Materials. 2023. Vol. 409. 133986. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133986
  21. Huang J., Duan B., Cai P., Manuka M., Hu H., Hong Z., Cao R., Jian S., Ma B. On-demand setting of extrusion-based 3D printing gypsum using a heat-induced accelerator. Construction and Building Materials. 2021. Vol. 304. 124624. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124624
  22. Chen Y., Li Z., Figueiredo S. C., Çopuroğlu O., Veer F., Schlangen E. Limestone and calcined clay-based sustainable cementitious materials for 3d concrete printing: a fundamental study of extrudability and early-age strength development. Applied Sciences. 2019. Vol. 9. No. 9, pp. 1809. doi: 10.3390/app9091809
  23. Weng Y., Li M., Zhang D., Tan M. J., Qian S. Investigation of interlayer adhesion of 3D printable cementitious material from the aspect of printing process. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 143. 106386. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106386
  24. Baduge S.K., Navaratnam S., Abu-Zidan Y., McCormack T., Nguyen K., Mendis P., Zhang G., Aye L. Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: a review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods. Structures. 2021. Vol. 29, pp. 1597–1609. doi: 10.3390/app9091809
  25. Breseghello L., Naboni R. Toolpath-based design for 3D concrete printing of carbon-efficient architectural structures. Additive Manufacturing. 2022. Vol. 56, pp. 102872. doi: 10.1016/j.addma.2022.102872
  26. Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Глаголев Е.С., Шаталова С.В., Стариков М.С. Формирова- ние свойств композиций для строительной печа- ти // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 6–14. doi: 10.12737/article_ 59cd0c57ede8c1.83340178
  27. Шорстова Е.С., Клюев С.В., Клюев А.В. Фибро- бетон для 3D-печати // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2019. № 3. С. 22–27. doi: 10.34031/article_5ca1f6300a4956.62644399
  28. Potapova E., Guseva T., Shchelchkov K., Fischer H.-B. Mortar for 3D printing based on gypsum binders. Materials Science Forum. 2021. Vol. 1037, pp. 26–31. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.1037.26' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.1037.26
  29. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Шеремет А.А. Разработ- ка комплексного решения для 3D-печати сте- новых конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2022. № 10. С. 8–19. doi: 10.34031/2071-7318-2022-7-10-8-19
  30. Dvorkin L.I. The influence of polyfunctional modifier additives on properties of cement-ash fine-grained concrete. Magazine of Civil Engineering. 2020. Vol. 93. No. 1, pp. 121–133. doi: 10.18720/MCE.93.10
  31. Демьяненко О.В., Куликова А.А., Копаница Н.О. Оценка влияния комплексной полифункциональной добавки на эксплуатационные характеристики цементного камня и бетона // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 5. С. 139–152. doi: 10.31675/1607-1859-2020-22-5-139-152
  32. Вдовин Е.А., Буланов П.Е., Строганов В.Ф. Повы- шение характеристик дорожных цементогрунтов кремнийорганическими соединениями // Извес- тия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 66. № 4. С. 301–309. doi: 10.52409/20731523_2023_4_301
  33. Батова М.Д., Жукова Н.С., Гордина А.Ф., Яков- лев Г.И., Шайбадуллина А.В., Эльрефаи А.Э.М.М., Орбан З. Гипсовые материалы, модифицированные комплексной добавкой на основе наносилики // Строительные материалы. 2022. № 4. С. 64–71. doi: 10.31659/0585-430X-2022-801-4-64-71
  34. Новиченкова Т.Б., Петропавловская В.Б., Белов Д.В. Повышение водостойкости гипсовых материалов за счет применения комплексной добавки извести и метакаолина. Саморазвивающаяся среда технического вуза: научные исследования и экспериментальные разработки. Материалы IV Все- российской научно-практической конференции. Тверь, 20 февраля 2020. С. 113–121.
  35. Шведова М.А., Артамонова О.В. Особенности формирования цементных композиционных материалов при микро- и наномодифицировании многокомпонентными добавками // Химия, физика и механика материалов. 2021. № 4 (31). С. 4–29.
  36. Зиганшина Л.В. Мелкозернистые бетоны в технологии аддитивного производства (3D-печати): Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2022. 282 с.
  37. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутди- нов А.Р. Комплексная добавка для повышения эффективности гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Строительные материалы. 2016. № 8. С. 70–73.
  38. Галаутдинов А.Р., Мухаметрахимов Р.Х. Повышение водостойкости гипсоцементно-пуццоланового вяжущего на основе низкомарочного гипса // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 4 (38). С. 333–343.
  39. Патент РФ 2552274. Способ приготовления гипсоцементно-пуццолановой композиции / Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Заявл. 14.04.2014. Опубл. 10.06.2015.
  40. Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Поли- функциональный химический модификатор гипсоцементных композиций // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 11 (74). С. 17–25. doi: 10.18720/CUBS.74.2

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Операторская, расположенная на территории завода Уфимской гипсовой компании, возведенная с применением метода аддитивного строительного производства (URL: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ufimskaya-gipsovaya-kompaniya-realizuet-proekt-po-3d-pecati-dvuxetaznogo-doma)

Скачать (118KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Строительный 3D-принтер АМТ S-6044, расположенный в лаборатории аддитивных технологий строительного производства КГАСУ

Скачать (125KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние вида и содержания модифицирующих добавок, соотношения заполнителя и ГЦПВ на пределы прочности при сжатии ГЦПБ: a – X1 – const=0,75% от массы вяжущего; b – X2 – const=0,1% от массы вяжущего; c – X3 – const=2% от массы вяжущего

Скачать (217KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние вида и содержания модифицирующих добавок, соотношения заполнителя и ГЦПВ на коэффициент размягчения ГЦПБ: a – X1 – const=0,75% от массы вяжущего; b – X2 – const=0,1% от массы вяжущего; c – X3 – const=2% от массы вяжущего

Скачать (219KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние вида и содержания модифицирующих добавок, соотношения заполнителя и ГЦПВ на формоустойчивость слоев: a – X1 – const=0,75% от массы вяжущего; b – X2 – const=0,1% от массы вяжущего; c – X3 – const=2% от массы вяжущего

Скачать (216KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Дериватограммы: a – исходного состава ГЦПК (состав № 1); b – состава, модифицированного полифункциональной КД, содержащей ГП «Glenium Ace 430», СП «Бест-ТБ» и ГД «Этилсиликат-40»; состава ГЦПК (состав № 2)

Скачать (332KB)
Метаданные

© ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ", 2024