CC BY
22УДК 691.32
БЕТОННЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ЭКСТРУЗИИ В ОТРАСЛИ АДИТИВННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Якунина В.А.
Череповецкий государственный университет, Российская Федерация, 162600, г. Череповец, пр-т Луначарского, 5
Кузнецов Д.В.
Череповецкий государственный университет, Российская Федерация, 162600, г. Череповец, пр-т Луначарского, 5
CONCRETE MIXES FOR EXTRUSION IN THE FIELD OF ADDITIVE TECHNOLOGIES
IN CONSTRUCTION
V.A. Yakunina
Cherepovets State University, Russian Federation, 162600, Cherepovets, Lunacharskogo Avenue, 5
D. V. Kuznetsov Cherepovets State University, Russian Federation, 162600, Cherepovets, Lunacharskogo Avenue, 5 DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2022.1.78.592
АННОТАЦИЯ
Одним из перспективных и современных направлений в строительной отрасли является внедрение аддитивных технологий при производстве как отдельных конструкций, так и целых зданий и сооружений. Статья посвящена определению минимальных требований к составу бетонной смеси для аддитивных технологий в строительстве на основе требований, предъявляемых нормативной документацией, с учетом особенностей 3D-печати, а также определения их влияния на физико-механические свойства готовых конструкций, полученных методом послойной экструзии бетонных смесей.
ABSTRACT
One of the promising and modern trends in the construction industry is the introduction of additive technologies in the production of both individual structures and entire buildings and structures. The article is devoted to determining the minimum requirements for the composition of a concrete mixture for additive technologies in construction based on the requirements of regulatory documentation, taking into account the features of 3D printing, as well as determining their effect on the physical and mechanical properties of finished structures obtained by layer-by-layer extrusion of concrete mixtures.
Ключевые слова: аддитивные технологии, метод экструзии бетонных смесей, 3D-печать, пескобетон, строительные конструкции.
Keywords: additive technologies, concrete mixture extrusion method, 3D printing, sand concrete, building structures.
Введение. Активное внедрение аддитивных технологий в области строительства ограничивается целым рядом проблем, одной из которых является разработка состава смеси для строительного 3D-принтера, так как многие составы находятся на стадии исследования. Применение классических цементных смесей для 3D-печати затруднительно, в виду того, что они не адаптированы к особенностям самой технологии, например, не обладают пластичностью, которая необходима для экструзии и не могут обеспечивать адгезионное взаимодействие между всеми слоями конструкции в её затвердевшем состоянии. Для производства эффективных строительных конструкций и элементов с использованием аддитивных технологий необходимо учитывать требования по всем видам предельных состояний, с учетом достаточной трещиностойкости и долговечности при различных эксплуатационных режимах уже на этапе проектирования бетонных смесей. Поэтому подбор и изучение смесей является важной задачей, которая на данный
момент времени затрудняет использование аддитивных технологий в строительной области.
С другой стороны, для оценки фактической работы конструкции при расчете на прочность необходимо учитывать скорректированные данные механической прочности бетона, поскольку сам процесс производства таких изделий носит ранее неисследованный характер.
Определение физико-механических
характеристик, предъявляемых к подвижным смесям и к затвердевшему бетону при 3D-печати. Контроль свойств смеси и затвердевшего состава является неотъемлемой частью строительного процесса. Методики оценки таких свойств с применением технологии 3D-печати должны иметь свои особенности. В ГОСТ Р 590962020 [1] установлены методы определения основных показателей качества материалов для аддитивного строительного производства в форме бетонных смесей, а также затвердевшего бетона. Важно отметить, что стандарт носит общий характер основных положений, большая часть
методов испытаний проводится по давно В таблице 1 представлен перечень
существующим национальным стандартам для определяемых характеристик, а также стандарты на бетонов. методы испытаний.
Таблица 1
Характе ристики и стандарты на методы испытаний
Наименование характеристики Обозначение стандарта на метод испытаний Требования к характеристике
1. Подвижность ГОСТ 10181-2014 [2] Требования к качеству готовых к применению подвижных смесей
2. Сроки начала и окончания схватывания ГОСТ 310.3-76 [3]
3. Водоудерживающая способность ГОСТ Р 58277-2018 [4]
4. Прочность на сжатие ГОСТ 23789-2018 [5] Требования к качеству затвердевшего раствора (бетона)
5. Морозостойкость ГОСТ 10060-2012 [6]
6. Прочность сцепления слоев ГОСТ Р 59096-2020 [1]
7. Средняя плотность ГОСТ 12730.1-2020 [7]
С точки зрения рассматриваемых показателей для реализации основных принципов бетонные смеси для 3D-принтеров должны иметь свойства, обеспечивающие технологичность в процессе изготовления и надлежащую эксплуатационную надежность [8-10]. При необходимости представленный перечень может быть дополнен другими характеристиками исходя из требований заказчика, а также с учетом особенностей эксплуатации строительных объектов, изделий и конструкций, выполненных с использованием технологии строительной печати. Например, дополнительно может определяться
водопоглощение, так как напечатанные малые формы или фрагменты конструкций чаще всего открытом воздухе, погодные оказывать довольно сильное их долговечность, сильное водопоглощение может привести к трещинам и разрушению конструкции.
Определение физико-механических
характеристик пескобетона. Так как производители строительных 3D-принтеров
архитектурные ограждающих располагают на условия будут влияние на
рекомендуют использовать для печати стандартный пескобетон М300 (В22,5) на основе портландцемента марки 500, было решено провести стандартные испытания с этим материалом. В лаборатории кафедры строительства имени почетного профессора Череповецкого государственного университета, доктора технических наук В.С. Грызлова Череповецкого государственного университета были проведены исследования основных характеристик
пескобетона М300 (В22,5). На основании этих исследований были определены минимальные требования к свойствам и характеристикам смесей для изготовления строительных конструкций с помощью метода аддитивных технологий.
Пропорции на состав пескобетона М300 (В22,5) составлены следующим образом - 1/3 цемент (выступает в качестве вяжущего) + 2/3 песок (наполнитель, фракцией 0,63 мм). Водоцементное отношение 0,37.
Были проведены испытания, в ходе которых определены физико-механические характеристики пескобетона (рисунок 1, 2), которые представлены в таблице 2.
Рис. 1. Определение прочности на растяжение при изгибе.
Рис. 2. Определение прочности при сжатии.
Таблица 2
Физико-механические характеристики пескобетона М300
Наименование характеристики Значение Единица измерения
Подвижность по погружению конуса, см 5,75 см
Сроки начала и окончания схватывания 3.15 4.20 ч. мин
Нормальная густота по прибору Вика 17 мм, от низа
Водоудерживающая способность 91,5 %
Прочность на сжатие через 28 суток 31,2 МПа
Прочность при изгибе на 28 сутки 3,89 МПа
Морозостойкость 75 цикл
Средняя плотность 1980 кг/м3
Водопоглощение 4,8 %
Исходя из полученных данных можно сформулировать некоторые минимальные требования к составам, применяемым для 3Б-печати: марка по прочности на сжатие— не менее М300 (В22,5), марка по морозостойкости — не менее F200, марка по водонепроницаемости — не менее W4, марка по средней плотности — не ниже D2000. Если говорить о нормальной густоте, подвижности и сроках схватывания, то в лабораторных условиях сложно определить нижнюю границу данных характеристик. Но при анализе ряда имеющихся разработок по строительным смесям для аддитивных технологий можно утверждать, что подвижность по погружению конуса должна находиться в пределах 5-8 мм., а нормальная густота - 10-25 мм, в противном случае состав будет не пригоден для экструзии.
Оптимальные срок начала схватывания 2 часа 30 минут, окончания схватывания - не позднее 5 часов, так как слишком долгое твердение не позволит возводить конструкции послойно.
Учет влияния особенностей технологии на конечную прочность изделий. В целом интерес к исследованиям в области технологий 3D-печати в строительстве базируется на ряде преимуществ с точки зрения технико-экономических показателей [11, 12]. По итогу главной особенностью данной технологии является изготовление бетонных и железобетонных конструкций в сочетании принципов безопалубочного и монолитного строительства [13-15]. Однако устройство бетонных слоев методом экструзии на строительной площадке сопряжено с возникновением открытой площади поверхности готового изделия. Отсутствие внешнего ухода в таких условиях создает неблагоприятные предпосылки для гидратации портландцемента. Интенсивная потеря воды вследствие испарения приводит к ее недостатку для структурообразования и последующему снижению плотности бетона, усадке, трещинообразованию и потере прочности. То есть важной способностью для строительных «чернил» и бетонов, твердеющих
в естественных условиях, является сохранение воды в смеси на протяжении всего периода твердения, который, очевидно, может быть сокращен за счет использования ускорителей твердения [16].
С другой стороны, для определения значений прочности тяжелых бетонов на сжатие регламентирована и традиционно применяется методика по государственным стандартам [17], по которой образцы изготавливают в поверенных (калиброванных) формах, соответствующих требованиям ГОСТ 22685. Укладку бетонной смеси в форму и ее уплотнение осуществляют в формах для изготовления образцов в виде куба 100х100х100 мм или 150х150х150 мм. При изготовлении образцов с минимальным размером 70х70х70 мм максимальная крупность заполнителя не должна превышать 20 мм. В случае применения технологии 3D-печати указанный метод не обеспечивает достоверности результатов испытаний, т. к. не учитывает особенности формирования стандартных образцов для испытаний методом послойной укладки с определенным интервалом времени. Проблема отсутствия нормативной документации для определения прочностных характеристик для 3D-печати является актуальной, т. к. требования к бетону для 3D-печати имеют свои особенности. Для оценки прочности могут использоваться различные способы формования образцов и методы исследования, например, такие как заполнение металлоформ экструдером или выпиливание кубов из фрагмента конструкции, напечатанной 3D-принтером [18].
Еще одним аспектом определения фактической работы конструкции является то, что в результате экструзии бетонных смесей получается конструкция имеющая горизонтальные швы с шагом ровным толщине одиночного пласта, выдавливаемого из сопла 3D-принтера. Главная проблема заключается в том, что данный шов не вписывается в действующие нормативно -технические документы, поскольку имеющееся понятие в СП 70.13330.2012 [19] «рабочий шов» не может быть применимо к таким швам, поскольку в нём имеется явная адгезия между слоями в конструкции. С другой стороны, материал не может характеризоваться однородным, поскольку имеется явное снижение прочности в данных швах. Это вытекает из анализа результатов испытаний фрагментов отпечатанных конструкций, причем зависимость адгезионной прочности «по шву» к прочности материала носит нелинейный характер для каждой отдельно испытанной смеси для 3D-печати.
Заключение. Таким образом, одним из перспективных и современных направлений в строительной отрасли является внедрение аддитивных технологий при производстве как отдельных конструкций, так и целых зданий, и сооружений. Разработка составов для метода экструзии бетонных смесей на данном этапе реализуемо, но в дальнейшем, при
распространении данной технологии потребует корректировки в рамках кластера нормативно-технической документации, регламентирующей аддитивные технологии. Выявленные особенности технологии требуют дальнейшей научной оценки их влияния на физико-механические свойства готовых конструкций, полученных методом послойной экструзии бетонных смесей.
Список литературы
1. ГОСТ Р 59096-2020 "Материалы для аддитивного строительного производства. Методы испытаний" от 09 октября 2020.
2. ГОСТ 10181-2014 "Смеси бетонные. Методы испытаний (с Поправкой)" от 11 декабря 2014.
3. ГОСТ 310.3-76 " Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема (с Изменением N 1)" от 14 октября 1976.
4. ГОСТ Р 58277-2018 "Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний" от 28 декабря 2018.
5. ГОСТ 23789-2018 "ГОСТ 23789-2018 Вяжущие гипсовые. Методы испытаний (с Поправками)" от 25 сентября 2018.
6. ГОСТ 10060-2012 " Бетоны. Методы определения морозостойкости (с Поправками)" от 27 декабря 2012.
7. ГОСТ 12730.1-2020 " ГОСТ 12730.1-2020 Бетоны. Методы определения плотности (с Поправкой)" от 22 декабря 2020.
8. Panda B., Singh B.GVP, Unluer C., Tan M.J. Synthesis and characterization of one-part geopolymers for extrusion based 3D concrete printing // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 220. Pp. 610-619. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.02.185.
9. Marchment T., Sanjayan J. Mesh reinforcing method for 3D concrete printing // Automation in Construction. 2020. Vol. 109. P. 102992. DOI: 10.1016/j.autcon.2019.102992.
10. Inozemtcev A.S., Duong T.Q. Technical and economic efficiency of materials using 3D-printing in construction on the example of high-strength lightweight fiber-reinforced concrete // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 02010. DOI: 10.1051/e3sconf/20199702010.
11. Mechtcherin V., Nerella V.N., Will F., Nather M., Otto J., Krause M. Large-scale digital concrete construction — CONPrint3D concept for on-site, monolithic 3D-printing // Automation in Construction. 2019. Vol. 107. P. 102933. DOI: 10.1016/j.autcon.2019.102933.
12. Nerella V.N., Mechtcherine V. Studying the printability of fresh concrete for formwork-free concrete onsite 3D printing technology (CONPrint3D) // 3D Concrete Printing Technology. 2019. Pp. 333347. DOI: 10.1016/b978-0-12-815481-6.00016-6.
13. Buswell R.A., Leal de Silva W.R., Jones S.Z., Dirrenberger J. 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 112. Pp. 37-49. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.05.006
14. Пустовгар А.П., Адамцевич А.О., Волков А.А. Технология и организация аддитивного строительства // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 9. С. 12-20.
15. Inozemtcev A.S., Korolev E.V., Duong T.Q. Physical and mechanical properties of cement stone with superabsorbent polyacrylate solutions // Инженерно-строительный журнал. 2019. № 5 (89). C. 179-186. DOI: 10.18720/MCE.89.15.
16. Королёв Е.В., Тхань Куй Зыонг, Иноземцев А.С. Способ обеспечения внутреннего ухода за гидратацией цемента в составах для 3D-печати // Вестник МГСУ. 2020. № 6. С. 834-846. DOI:10.22227/1997-0935.2020.6.834-846.
17. ГОСТ 10180-2012 "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам" от 27 декабря 2012.
18. Сорокина Е.А., Копаница Н.О. Анализ и оценка методов определения прочности бетона для аддитивной технологии // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т. 23. № 2. С. 87-95. DOI: 10.31675/1607-1859-2021-23-2-87-95.
19. СП 70.13330.2012 "Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87 (с Изменениями N 1, 3, 4)" от 25 декабря 2012.
