CC BY
27УДК 666.9.03
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-34-40
Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук (gslavcheva@yandex.ru),
М.А. ШВЕДОВА, инженер-исследователь (marishwedowa@mail.ru),
Д.С. БАБЕНКО, инженер-исследователь (teleperedoz@mail.ru)
Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Анализ и критериальная оценка реологического поведения смесей для строительной 3D-печати
Произведен анализ теоретических положений классической реологии дисперсных систем применительно к условиям строительной 3D-печати. В результате выявлен полный перечень реологических характеристик смесей, критериальных для эффективного управления их свойствами на всех стадиях процесса. К ним отнесены пределы ползучести и текучести, статическая, пластическая и динамическая вязкость, пластическая прочность смесей; показатели сопротивления разрушению композитов в заданные сроки твердения. Произведена систематизация и анализ современных подходов к оценке реологического поведения дисперсных систем в статических условиях действия сжимающих напряжений, моделирующих поведение систем в процессе 3D-печати. На основании данных подходов обоснована методика экспериментальной оценки реологических характеристик смесей. В результате исследований установлено, что экструдируемость смесей определяется такими их структурно-механическими характеристиками, как оценки пределов ползучести и текучести, критерий эластичности. Их значения предлагается определять при испытаниях вязкопластичных свойств образцов на сдавливание с постоянной скоростью деформирования 5 мм/с, так как при данных условиях моделируется поведение системы в процессе экструзии. Формоустойчивость смесей предложено оценивать при сдавливании образцов с постоянной скоростью нагружения 0,5 Н/с, что отвечает средней скорости возрастания нагрузки при печати строительных объектов. К количественным критериям формоустойчивости отнесены: величина структурной прочности, характеризующей способность системы сопротивляться деформированию, величины пластической прочности и пластических деформаций, отражающих способность системы пластически деформироваться без разрушения.
Ключевые слова: смеси для 3D-печати, реологическое поведение, методы оценки при сдавливании, предел текучести, пластическая прочность.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта 7.10781.2018/11.12 по государственному заданию «Выполнение проектов для получения первичных научных результатов, обеспечивающих расширение участия подведомственных образовательных организаций в реализации Национальной технологической инициативы».
Для цитирования: Славчева Г.С., Шведова М.А., Бабенко Д.С. Анализ и критериальная оценка реологического поведения смесей для строительной 3D-печати // Строительные материалы. 2018. № 12. С. 34-40. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-34-40
G.S. SLAVCHEVA, Doctor of Sciences (Engineering) (gslavcheva@yandex.ru), M.A. SHVEDOVA, engineer (marishwedowa@mail.ru), D.S. BABENKO, engineer (teleperedoz@mail.ru)
Voronezh State University of Architecture and civil Engineering (84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, 394006, Russian Federation)
Analysis and Criteria Assessment of Rheological Behavior of Mixes for Construction 3-D Printing
The analysis of theoretical propositions of classical rheology of disperse systems in relation to conditions of construction 3D printing is made. As a result, a complete list of rheological characteristics of mixtures that are criteria for effective control over their properties at all the stages of the process is revealed. These are the limits of creep and yield strength, static and dynamic viscosity, plastic strength of the mixtures; indicators of resistance to fracture of composites within a specified period of hardening. The systematization and analysis of modern approaches to the evaluation of rheological behavior of disperse systems under static conditions of compressive stresses, modeling the behavior of systems in the process of 3D printing are made. On the basis of these approaches, the method for experimental evaluation of rheological characteristics of mixes is substantiated. As a result of research, it is established that the extrudability of mixes is defined by such their structural and mechanical characteristics as estimates of limits of creep and fluidity, criterion of elasticity. Their values are proposed to determine when testing visco-plastic samples for compression with a constant deformation rate of 5 mm/s, since under these conditions the behavior of the system in the extrusion process is modeled. It is proposed to estimate the form stability of mixtures when compressing samples with a constant loading rate of 0.5 N/s, which corresponds to the average rate of increase in the load when printing construction objects. The quantitative criteria of the form stability include: the value of structural strength characterizing the ability of the system to resist to deformation, the values of plastic strength and plastic deformations reflecting the ability of the system to deform plastically without destruction.
Keywords: mixes for 3D printing, rheological behavior, methods for evaluation when compressing, yield point, plastic strength.
The work was performed under the financial support of the project 7.10781.2018/11.12 according to the State task "Execution of projects for obtaining primary scientific results providing the expansion of participation of subordinate educational organizations in the realization of the National Technological Initiative".
For citation: Slavcheva G.S., Shvedova M.A., Babenko D.S. Analysis and criteria assessment of rheological behavior of mixes for construction 3-D printing. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 12, pp. 34-40. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-34-40 (In Russian).
Эффективность и технологичность строительной 3D-печати зависят от возможности регулирования характеристик смесей на всех стадиях процесса. Для обеспечения требуемого качества и сроков строительства управление реологическим поведением смесей должно производиться по условиям обеспечения текучести для их перекачки, пластичности для экструзии, сохранности формы слоя после его укладки, структурной прочности для восприятия нагрузки укладываемых выше
слоев. При этом скорость схватывания и твердения смеси должна быть соотносима со скоростью печати строительного объекта.
Внимание исследователей данного вопроса, как правило, сконцентрировано на проблемах экструди-руемости (extrudability), формоустойчивости (builda-bility) и параметрах структурообразования (structural build up) [1—16], потому что именно эти характеристики смесей для 3D-печати существенно отличаются от
традиционных технических свойств строительных смесей и композитов. Однако в настоящее время отсутствуют единые подходы к тому, какие реологические характеристики являются критериями оценки данных параметров смесей. Существуют разночтения в использовании моделей реологического поведения смесей, а количественные значения реологических характеристик зависят от методов их оценки. В связи с этим трудно точно интерпретировать их физический смысл и соответственно однозначно обосновать технические требования к параметрам смесей. Поэтому существует необходимость в адекватной и непротиворечивой их оценке, что даст возможность критериально оценить поведение смесей на всех стадиях 3D-печати, сформировать основные принципы управления процессом.
Анализ теоретических положений реологии дисперсных систем
применительно к условиям строительной 3D-печати
С позиций классической реологии дисперсных систем смеси для строительной 3D-печати представляют собой гетерогенные системы твердая дисперсная фаза — жидкая дисперсионная среда. Приоритет в системном комплексном описании поведения дисперсных систем в условиях их непрерывной сдвиговой деформации принадлежит советской школе физико-химической механики дисперсных систем. В трудах школы П.А. Ре-биндера впервые получена полная реологическая кривая течения дисперсных систем (рис. 1), которая интерпретирована1' 2 с позиций состояния структуры дисперсной системы. В результате зависимость вязкости п от напряжения сдвига т при разной его скорости £ объединена в рамках единой модели реологии вязкопластичного стационарного течения аномально вязких систем:
= По+ т/ё.
(1)
т = тк2 + т1*тё.
(2)
Смещение равновесия в сторону разрушения контактов при относительно больших напряжениях сдвига приводит к падению эффективной вязкости системы на несколько порядков:
П0
Вязкопластическое течение с разрушаемой структурой (модель Бингама)
Ламинарное течение псевдоньютоновской жидкости
Рис. 1. Полная реологическая кривая структурированной дисперсной системы (по Ребиндеру П.А., Щукину Е.Д.)
Т-ТК2
(3)
В рамках данной модели отдельные участки реологической кривой отвечают отличающимся по молекулярному механизму явлениям, поэтому для каждого участка используются свои параметры вязкости и пределов текучести, существенно разные по физическому смыслу и значению.
На стадиях процесса 3D-печати в зависимости от величины и скорости приложенных напряжений модели реологического поведения смесей можно соотнести с классической реологической кривой следующим образом. При приготовлении смеси происходит формирование высококонцентрированной дисперсной системы твердая дисперсная фаза — жидкая дисперсионная среда, структурированной коагуляционными контактами между частицами дисперсной фазы. В процессе транспортировки смеси при действии высоких напряжений сдвига ее поведение соотносится с участками III и IV реологической кривой. На начальном этапе вязкопластического течения при достижении предела текучести Ткг происходит интенсивное разрушение структуры системы, реологическое поведение соотносится с участком III (модель Бингама):
При перекачке смесь в условиях ламинарного течения в результате действия высоких напряжений сдвига тш проявляет свойства ньютоновской жидкости, отвечающие полностью разрушенной структуре дисперсной системы, и характеризуется постоянной минимальной вязкостью В итоге эффективность транспортировки смеси определяется динамической вязкостью Цт и бинга-мовским пределом текучести Ткг смеси.
При попадании в экструдер смесь переходит в твер-дообразное состояние за счет восстановления коагуля-ционных контактов в покое. В момент экструдирования при действии относительно низких сжимающих напряжений поведение смеси может быть соотнесено с вязко-пластическим течением дисперсной системы с неразрушенной структурой (модель Шведова):
т = тк + л*0ё, (4)
где Тк — предел ползучести, соответствующий напряжению сдвига, после которого наступает вязкопластиче-ское течение с высокой эффективной вязкостью:
То
. _ Т-Тк
(5)
Таким образом, экструдируемость зависит от эффективной пластической вязкости По и предела ползучести Тк.
В момент печати слоя смеси опять происходит переход в твердообразное состояние с восстановлением коа-гуляционной структуры, соответствующее участку I реологической кривой. Формоустойчивость слоя в момент печати может быть соотнесена со значением статического предела текучести Тщ, а вязкость характеризуется максимальной величиной Л о. Далее в процессе печати каждый слой находится под действием сжимающих напряжений от давления укладываемых выше слоев. Формоустойчивость слоя в этих условиях может быть оценена по величине пластической прочности Рт, предложенной П.А. Ребиндером для оценки прочности дисперсных систем, структура которых занимает промежуточное положение между твердым и вязкопластичным состоянием.
1 Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах: Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. С. 104-112.
2 Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем. М.: Химия, 1988. С. 51-68.
II
III
IV
п
п
m
Т
Таблица 1
Критериальные реологические характеристики смесей
Стадии процесса 3D-печати Оцениваемые параметры Критериальные реологические характеристики
Транспортировка смеси из смесителя в экструдер Транспортабельность Предел текучести Тк2 (по Бингаму)
Динамическая вязкость Т|т
Экструдирование Экструдируемость Предел ползучести Тк (по Шведову)
Пластическая вязкость "По
Послойная укладка Формоустойчивость Статический предел текучести Тщ
Статическая вязкость Т|0
Пластическая прочность Рт
Твердение напечатанных слоев Показатели сопротивления разрушению в заданные сроки твердения
В процессе схватывания и твердения напечатанных слоев система переходит от вязкопластичной коагуляци-онной структуры к формированию структуры твердого тела с коагуляционно-кристаллизационными фазовыми контактами. Соответственно, скорость печати здания должна быть соотнесена со скоростью структурообразо-вания и твердения смесей в процессе 3D-печати.
В табл. 1 представлен перечень реологических характеристик смесей, критериальных для эффективного управления их свойствами в процессе 3D-печати, обоснованный исходя из рассмотрения моделей фундаментальной реологии.
Данные характеристики дисперсных систем традиционно определяют реометрическими методами при варьировании скорости и напряжений сдвига в широком диапазоне. Однако существует ряд факторов, препятствующих практическому использованию классических моделей макрореологии и методов реометрии в технических задачах оценки свойств смесей. Во-первых, в процессах экструзии и послойной укладки поведение смесей определяется действием нормальных сжимающих напряжений стта, а не тангенциальных напряжений сдвига т, используемых в реологических моделях и соответственно в реометрических измерениях. В результате сам принцип описания свойств и получения информации о них не соответствует условиям проявления этих свойств в технологическом процессе. Во-вторых, промышленно производимые реометры являются весьма дорогостоящими и сложными в использовании, поэтому высокоэффективны для научных исследований, но неприменимы для технических измерений. Разрешение данных проблем в настоящее время происходит в рамках формирования новых подходов к оценке реологического поведения вязкопластичных систем, адаптированных, в частности, к условиям 3D-печати.
Современные подходы к оценке реологического поведения дисперсных систем в процессах SD-печати
Основой формирования данных подходов является теория течения при сдавливании (squeeze flow theory), основные положения которой обобщены в [17]. В процессе развития данной теории произведен анализ механизмов течения материала в условиях сжатия между двумя параллельными пластинами. Это позволило найти аналитические соотношения между нормальными напряжениями стта, скоростью сжатия и классическими показателями пределов текучести и вязкости систем при действии тангенциальных напряжений сдвига т в рамках различных реологических моделей. В результате анализа данных моделей для вязких, пластичных, вязкопластичных, эластичных и вязкоэла-стичных материалов были обоснованы условия их текучести при сжатии, позволяющие связать классиче-
ские реологические характеристики с параметрами действия сжимающих напряжений. На основании использования условий текучести теоретически обоснованы и экспериментально апробированы реометриче-ские испытания при сдавливании (squeeze flow rheometry), которые оказались эффективны для широкой гаммы вязких, пластичных, вязкопластичных (полимеров, гелей, строительных паст). Метод squeeze flow rheometry стал основным при изучении реологического поведения смесей и для статических условий строительной 3D-печати, несмотря на невозможность изучения параметров тиксотропности и течения в динамических условиях. Это обусловлено его простотой и возможностью реализации на стандартных системах для механических испытаний строительных композитов, а также возможностью моделировать реологическое поведение систем в условиях экструзии и послойной укладки.
Принцип метода, сформулированный в [17], состоит в испытаниях на сдавливание между параллельными пластинами цилиндрических свежеотформованных образцов, радиус которых R равен их высоте h0. Могут быть реализованы два варианта испытаний: 1) сдавливание с постоянной скоростью деформирования; 2) сдавливание с постоянной скоростью нагружения.
Результаты испытаний для оценки основных реологических характеристик смесей интерпретируются с использованием базового соотношения между нормальными напряжениями стта и пределом текучести т при простом сдвиге, полученного в рамках теории потока при сдавливании с использованием модели Бингама и критерия текучести фон Мизеса [17]:
Cxx = -V3i+3 к^ (6)
где K — начальная вязкость смеси до сжатия; h0 — начальное расстояние между параллельными пластинами; Н — скорость сжатия.
В настоящее время сформировано и получили широкое распространение два основных варианта реализации принципов squeeze flow rheometry. Первый из них, обоснованный в работах N. Roussel^ [18, 19], реализован и с использованием стандартных систем для механических испытаний, и при применении специальной экструзионной техники [21—23]. Данный подход заключается в моделировании реологического поведения смесей в процессе экструзии при варьировании скоростей деформирования в диапазоне 0,1—5 мм/с. При проведении испытания задается постоянная скорость деформирования, в процессе испытания фиксируются кривые «нагрузка P — перемещение А» до максимально возможного сжатия образца. Интерпретация полученных результатов производится на основании построения
и анализа кривых зависимости приведенной нагрузки р * от относительного изменения высоты образца /К
Ft =
Ph, TiR2'
(7)
где hj = (Aq—A), hO — начальная высота образца; А — перемещение в j-й момент времени; величина R принимается постоянной и равной радиусу образца в начале испытания.
На кривой выделяется зона пластического поведения, в которой на основании преобразования базового соотношения (6) рассчитывается величина K,, названная Н. Русселем оценкой предела пластичности (plastic yield value) [19]:
л/3Г
W/R) =
(8)
Второй подход обоснован и реализован в работах A. Перро [20], он предполагает моделирование параметров нагружения на первый уложенный слой от последовательно нарастающего давления укладываемых выше слоев. Испытания могут быть реализованы при варьировании скорости нагружения в диапазоне 0,1—1,5 Н/с, что отвечает различной скорости печати строительных объектов. При проведении испытания задается постоянная скорость нагружения, в процессе испытания фиксируются кривые «нагрузка P — перемещение А» до появления трещин в боковых гранях образца. На основании результатов эксперимента определяется структурная прочность системы и время, соответствующее началу разрушения.
Однако при использовании охарактеризованных подходов к оценке реологических свойств существуют разночтения в трактовке полученных результатов при соотнесении их как с условиями 3D-печати, так и с классическими реологическими моделями и характеристиками. В наших исследованиях ставилась задача изучения реологического поведения смесей с использованием обоих подходов squeeze flow rheometry для обоснования количественных критериев экструдируемости и формоустойчивости смесей на основании соотнесения полученных результатов с классическими положениями реологии дисперсных систем.
Экспериментальная программа
Исследовались модельные системы цемент+вода (портландцемент CEM I 42,5) при значениях величины В/Ц=0,22; 0,23; 0,24; 0,25; 0,26. Варьирование В/Ц-отношения рассматривалось в качестве фактора изменения концентрации дисперсной фазы в системе, который с позиций структурной реологии является главным критерием ее прочности [24].
В эксперименте использовалась свежеотформован-ные цилиндрические образцы цементного теста размером R =h0=25 мм. Изготавливалось шесть образцов, для которых сначала производилась визуальная оценка их способности сохранять форму при укладке друг на друга. Затем для проведения сдавливающих тестов каждый
отдельный образец помещался между двумя гладкими пластинами, диаметр которых соответствовал размеру образца (рис. 2); испытания проводились с использованием системы INSTRON 5982.
Для свежеотформованных образцов всех серий сдавливающий тест производился с постоянной скоростью деформирования 5 мм/с, так как при данной скорости проведения испытаний наиболее адекватно моделируется поведение системы в процессе экструзии [21-23]. Полученные в процессе испытаний кривые «нагрузка Р — перемещение А» интерпретировались в виде кривых зависимости приведенной нагрузки р* (см. соотношение (7)) от относительного изменения высоты образца hl/R. Для точек перегиба на данной кривой рассчитывалась величина К согласно соотношению (8).
Для серий образцов, которые визуально сохраняли форму, проводились испытания при постоянной скорости нагружения 0,5 Н/с, что отвечает средней скорости возрастания нагрузки при печати строительных объектов промышленно производимыми принтерами. Испытания проводились непосредственно после формования образцов и после их выдержки в течение 30 и 60 мин. Эксперимент проводился до разрушения образцов, в процессе опытов фиксировались кривые «нагрузка Р — перемещение А», «перемещение — время ?». Значение структурной прочности системы:
iiR2
(9)
рассчитывалось в точках, соответствующих началу деформирования, началу трещинообразования и разру-
Результаты и их обсуждение
Анализ кривых F*=f(h ¡/R) позволяет выделить на них три участка (рис. 3). На первом участке при действии низких сжимающих напряжений в диапазоне деформирования ~0,8<h ¡/R <1 структура сохраняет устойчивость (placing phase по Н. Русселю [19]). В соотнесении с полной реологической кривой поведение смеси может быть охарактеризовано как вязкопластическое течение дисперсной системы с неразрушенной структурой (модель Шведова), а величина K¡(T) в первой точке перегиба — с оценкой предела ползучести системы Тк.
При возрастании напряжений на втором участке при hJR<0,8 система пластически деформируется (perfect plaste response phase по Н. Русселю [19]), а ее структура теряет устойчивость. Поэтому второй участок кривой может быть соотнесен с вязкопластическим течением дисперсной системы с интенсивно разрушаемой структурой, а величина K(II) во второй точке перегиба — с оценкой предела текучести системы по Бингаму Ткг. Резкое возрастание нагрузки на третьем участке связывается [19] как с интенсификацией течения, так и с частичным удалением воды и уплотнением структуры.
В качестве комплексного параметра оценки свойств исследованных систем использован также критерий
Рис. 2. Образец цементного теста в процессе испытания на сдавливание: а - начало испытания; б - начало разрушения; в - окончание испытания
Таблица 2
Изменение структурно-механических характеристик дисперсной системы цемент+вода
в зависимости от В/Ц-отношения
В/Ц Оценка предела ползучести K(I), кПа Оценка предела текучести K(II), кПа Эластичность X
0,24 3,98 7,49 0,59
0,25 3,38 5,96 0,55
0,26 2,06 4,39 0,51
0,27 0,26 Система теряет упруговязкопластические свойства и устойчивость, приобретает текучесть в начальный момент нагружения при F *<0,3 кПа
0,28 0,24
Таблица 3
Изменение прочности и деформативности дисперсной системы цемент+вода в процессе схватывания
Время выдержки образца Наименование характеристик
Структурная прочность в начале деформирования ст0, кПа Пластическая прочность и деформации в начале трещинообразования Критическая прочность и деформации при разрушении
aПл, кПа мм СТ^ кПа V мм
~5 мин 0,87 45,22 1,85 49,77 0,04
30 мин 4,72 33,82 0,99 41,55 0,17
60 мин 9,92 21,02 0,43 44,55 0,29
эластичности X, впервые предложенный Н.Н. Круг-лицким1:
" (10)
х=
Е^+Ег
характеризующий соотношение модулей упругости Е1 и Е2, соответствующих проявлению деформаций на различных стадиях вязкопластического течения дисперсной системы. Расчет их величин произведен согласно соотношениям:
Е7 =
W)h о ео
£2
(11)
(12)
где h0 — толщина деформируемого слоя, соответствующая начальной высоте образца; £0 — быстрая эластическая деформация в первой точке перегиба кривой F*=f(h/R); е2 — медленная пластическая деформация при достижении второй точки перегиба кривой F *=f(h/R).
Установлено, что при снижении величины X<0,5 система теряет устойчивость, практически сразу после приложения нагрузки начинается ее течение (рис. 3, табл. 2), что полностью соответствует данным Н.Н. Круглицкого, согласно которым устойчивому состоянию дисперсных систем соответствует значение эластичности не менее X=0,5—0,6.
Таким образом, поведение дисперсных систем и их устойчивость в условиях действия сжимающих напряжений в процессе экструзии определяются такими структурно-механическими характеристиками смесей, как оценки пределов ползучести K (I) и текучести K(II) и критерий эластичности X.
Потенциал сопротивления дисперсной системы деформированию и разрушению при возрастании нагрузки оценен на примере смеси с В/Ц=0,25. Анализ полученных экспериментальных кривых (рис. 4) показывает, что на кривых «перемещение А — время t» можно выделить следующие участки:
F *, кПа 20 i '
1
Н1 / R
Рис. 3. Кривая зависимости приведенной сжимающей нагрузки Р* от относительного изменения высоты hi/R образцов цементного теста при испытаниях на сдавливание с постоянной скоростью деформирования: 1 - В/Ц=0,28; 2 - В/Ц=0,27; 3 - В/Ц=0,26; 4 - В/Ц=0,25; 5 - В/Ц=0,24
— отсутствия деформаций или устойчивости, способность же системы сопротивляться деформированию можно соотнести с величиной структурной прочности ст0 в момент начала деформирования;
— пластического деформирования, а способность системы пластически деформироваться без разрушения можно соотнести с величиной пластической прочности стпл в момент начала трещинообразования и величиной деформаций на данном участке Дпл;
— трещинообразования и разрушения, способность системы сопротивляться разрушению можно соотнести с критической величиной прочности ст^ в момент разрушения и величиной деформаций на данном участке Дф.
1 Круглицкий Н.Н. Очерки по физико-химической механике. Киев: Наукова думка, 1988. С. 25.
II
III
IV
Время испытания, с
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,7 1 1,2 Перемещение, мм
Рис. 4. Кривые деформирования образцов цементного теста в процессе испытаний на сдавливание с постоянной скоростью нагружения: 1 - свежеотформованный образец; 2 - после 30 мин выдержки; 3 - после 60 мин выдержки
Момент начала трещинообразования четко фиксируется на кривых «нагрузка Р — перемещение А» при появлении пика резкого падения нагрузки (рис. 5). Характер деформирования и разрушения смеси закономерно изменяется в процессе ее схватывания и твердения. Система, структурированная преимущественно коагуляционными контактами между частицами дисперсной фазы непосредственно после ее формирования, закономерно проявляет наименьшее значение структурной прочности и наибольшие пластические деформации (табл. 3). При этом полное разрушение системы наступает практически сразу после появления первых трещин (рис. 5).
По мере формирования коагуляционно-кристалли-зационных фазовых контактов в структуре в процессе схватывания возрастает величина структурной прочности ст0. Одновременно резко снижается способность системы пластически деформироваться без разрушения (ее пластическая прочность стпл) и возрастает величина деформаций в период трещинообразования и разрушения. Изменяется характер разрушения: после начала трещинообразования для образцов, твердевших 30 и особенно 60 мин, характерно появление множественных пиков колебаний нагрузки на кривых «Р - А» (рис. 5).
По мнению авторов, среди всех найденных характеристик прочности и деформативности в качестве главных количественных критериев формоустойчивости смесей для 3D-печати можно выделить величины структурной ст0 и пластической стпл прочности, пластических деформаций Апл. При этом для управления процессом печати слоев необходимы эффективные средства регулирования данных характеристик во времени.
Заключение
С позиций классической реологии дисперсных систем эффективное управление свойствами смесей в процессе 3D-печати должно соотноситься с регулированием таких характеристик смесей и композитов, как пределы ползучести и текучести, статическая, пластическая и динамическая вязкость, пластическая прочность смесей; показатели сопротивления разрушению композитов в заданные сроки твердения. При этом экструдируемость и формоустойчи-вость как критериальные параметры процесса 3D-печати главным образом зависят от предела ползучести, пластической вязкости и пластической прочности смесей.
Эффективным способом оценки реологического поведения вязкопластичных систем является метод реоме-трии при сдавливании, позволяющий установить количественные значения критериальных для экструдируе-мости и формоустойчивости параметров в условиях, адаптированных к действию сжимающих напряжений в процессе 3D-печати. В результате исследований уста-
Рис. 5. Кривые моменты начала трещинообразования для образцов цементного теста в процессе испытаний на сдавливание с постоянной скоростью нагружения: 1 - свежеотформованный образец; 2 - после 30 мин выдержки; 3 - после 60 мин выдержки
новлено, что экструдируемость определяется структурно-механическими характеристиками смесей, которые могут быть установлены через оценки пределов ползучести K(I), текучести Kj(II), критерий эластичности X, определяемые при сдавливании с постоянной скоростью деформирования. Величины структурной ст0 и пластической стпл прочности, пластических деформаций Апл, определяемые при сдавливании с постоянной скоростью нагружения, можно использовать в качестве количественных критериев формоустойчивости смесей.
Развитие теоретических и экспериментальных исследований связано с обоснованием и выявлением ре-цептурно-технологических факторов управления данными параметрами, установлением их значений, критериальных для эффективного регулирования всех стадий процесса 3D-печати.
Список литературы / References
1. Roussel N. Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes. Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Iss. 9, pp. 1656-1664.
2. Ovarlez G., Roussel N. A physical model for the prediction of lateral stress exerted by self-compacting concrete on formwork. Materials and Structures. 2006. No Vol. 39. Iss. 286, pp. 269-279. https://doi.org/10.1617/s11527-005-9052-1
3. Roussel N. A thixotropy model for fresh fluid concretes: Theory, validation and applications. Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. Iss. 10, pp. 1797-1806.
4. Mahaut F., Mokeddem S., Chateau X., Roussel N., Ovarlez G. Effect of coarse particle volume fraction on the yield stress and thixotropy of cementitious materials. Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38. Iss. 11, pp. 1276-1285.
5. Lootens D., Jousset P., Martinie L., Roussel N., Flatt R.J. Yield stress during setting of cement pastes from penetration tests. Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39. Iss. 5, pp. 401-408.
6. Le T.T., Austin S.A., Lim S., Buswell R.A., Gibb A.G.F., Thorpe T. Mix design and fresh properties for highperformance printing concrete. Materials and Structures. 2012. Vol. 45. Iss. 8, pp. 1221-1232.
7. Roussel N. Simulation of fresh concrete flow. Springer: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 222-SCF. 2014. Vol. 15. 147 p.
8. Qian Y., Kawashima S. Distinguishing dynamic and static yield stress of fresh cement mortars through thixotropy. Cement and Concrete Composjtes. 2018. No. 86, pp. 288-296.
9. Kazemian A. Yuan X., Cochran E., Khoshnevis B. Cementitious materials for construction-scale 3D printing: Laboratory testing of fresh printing mixture.
Construction and Building Materials. 2017. No. 145, pp. 639-647.
10. Lecompte T., Perrot A. Non-linear modeling of yield stress increase due to SCC structural build-up at rest. Cement and Concrete Research. 2017. No. 92, pp. 92-97.
11. Ma S., Qian Y., Kawashima S. Experimental and modeling study on the non-linear structural build-up of fresh cement pastes incorporating viscosity modifying admixtures. Cement and Concrete Research. 2018. No. 108, pp. 1-9.
12. Maa G., Li Z.,Wanga L. Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing. Construction and Building Materials. 2018. No. 162, pp. 613-627.
13. Wolfs R, Bos F, Salet T. Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelling and experimental testing. Cement and Concrete Research. 2018. No. 106, pp. 103-116.
14. Panda B., Paul S.C., Mohamed N.A.N., Tay Y.W.D., Tan M.J. Measurement of tensile bond strength of 3D printed geopolymer mortar. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. 2018. No. 113, pp. 108-116.
15. Panda B., Tan M.J. Experimental study on mix proportion and fresh properties of fly ash based geopolymer for 3D concrete printing. Ceramics International. 2018. Vol. 44. Iss. 9, pp. 56-65.
16. Paul S.C., Tay Y.W.D., Panda,B., Tan M.J. Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18. Iss. 1, pp. 311-319.
17. Engmann J., Servais C., Burbidge A.S. Squeeze flow theory and applications to rheometry: A review. Journal of
Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2005. Vol. 132. Iss. 1—3, pp. 1-27.
18. Russel N., Lanos C. Plastic fluid flow parameters identification using a simple squeezing test. Applied Rheology. 2003. Vol. 13. Iss. 3, pp. 3-5.
19. Toutou Z., Roussel N., Lanos C. The squeezing test: A tool to identify firm cement-based material's rheological behaviour and evaluate their extrusion ability. Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Iss. 10, pp. 1891-1899.
20. Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques. Materials and Structures. 2016. No. 49, pp. 1213-1220.
21. Perrot A., Melinge Y., Estelle P., Lanos C. Vibro-extrusion: a new forming process for cement-based materials. Advances in Cement Research. 2009. Vol. 21. Iss. 3, pp. 125-133.
22. Perrot A., Rangeard D., Melinge Y., Estelle P., Lanos C. Extrusion criterion for firm cement - based materials. Applied Rheology. 2009. No. 19, pp. 111-127.
23. Perrot A., Melinge Y., Rangeard D., Micaelli F., Estelle P., Lanos C. Use of ram extruder as a combined rheo-tribometer to study the behaviour of high yield stress fluids at low strain rate. Rheologica Acta. 2012. Vol. 51. Iss. 8, pp. 743-754.
24. Урьев Н.Б. Физико-химическая динамика структурированных нанодисперсных систем и наноди-сперсных композиционных материалов. Часть 1 // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2010. T. 46. № 1. C. 3-23.
24. Uriev N.B. Physicochemical dynamics of structured nanodisperse systems and nanodisperses composite materials: Part I. Fizikohimiya poverhnosti i zashchita materialov. 2010. Vol. 46. No. 1, pp. 3-23. (In Russian).
СТРОИТЕЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ КТБ ЖБ
Более 600.000 M 2 объектов I
вводится в эксплуатацию с нашим техническим сопровождением
150 человек квалифицированного персонала
Более 2.000.000 М3 бетона проверяется ежегодно нашей лабораторией
Цена сопровождения от 40Р/1 м3 бетона и 500Р/1 ТОННу металлоконструкций
Цена обследования зданий от 50Р/1
ТЕСНОЕ НАУЧНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО С ВЕДУЩИМИ НИИ И КБ СТРАНЫ
ПРЯМАЯ СВЯЗЬ С ГЕНЕРАЛЬНЫМ ДИРЕКТОРОМ +7 (Э1Б) 77П-7П-Б1, +7 (ЧЭ5) 2вБ-7П-П1; WWW.KTBBETDN.CDM; E-MAIL: KTB@KTBBETDN.CDM
[rPOiïïZJ&'rlbll
J ®
