Композиционные вяжущие для фибробетонов, применяемых для 3-D печати Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 69

С.В. Клюев, А.В. Клюев, Е.С. Шор-стова

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия

S.V. Klyuyev, A.V. Klyuev, E S. Shorstova

Belgorod State Technological University named after V. G. Shu-khov, Russia

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ФИБРОБЕТОНОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ 3-D ПЕЧАТИ

Z н

Û

COMPOSITE BINDERS FOR FIBROBETONES USED FOR 3-D PRINTING

CD

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы разработки композиционных вяжущих для 3-D печати используемой в строительной индустрии. Были проведены экспериментальные исследования с применением техногенного сырья. В работе удалось разработать составы композиционных вяжущих, которые можно использовать для 3-D печати. Были определены его прочностные характеристики, позволяющие сделать вывод о том, что данный состав соответствует всем требованиям, предъявляемым для такой технологии.

Ключевые слова: аддитивные технологии, строительство, 3D-печать, строительные технологии, конструкции, здания, структурная оптимизация.

Abstract

The article deals with the development of composite binders for 3-D printing used in the construction industry. Experimental studies were carried out with the use of man-made raw materials. In the work it was possible to develop compositions of composite binders that can be used for 3-D printing. Its strength characteristics were determined, allowing to conclude that this composition meets all the requirements for such technology.

Keywords: additive technologies, construction, 3D printing, construction technologies, structures, buildings, structural optimization.

Производство композиционных вяжущих дает возможность не только экономить энергию, но и увеличивать количество получаемого цемента и выход бетона на их основе. Использование в качестве минеральных добавок многотоннажных промышленных отходов дает возможность решать проблемы охраны окружающей среды и компенсировать дефицит кондиционного сырья для производства цемента.

и

0

1

^ о

< I-СО и

gl ^ а

M

ов

3 К

4 5

ш а; , s Cû g

s >

2 S ^ 5

^ u

. <U

< £

* i Ш ±

2 i

С m

5 E 4 1

и *

Реализация широкомасштабного выпуска эффективных композиционных цементов с комплексными модификаторами позволит получить новые эффективные материалы с привлечением вторичных продуктов и техногенного сырья, в частности отходов энергетики, и создать прогрессивные модели рационального использования природного сырья, топлива, электрической энергии с утилизацией вторичных материалов при минимальных выбросов парниковых газов, что имеет существенное значение для дальнейшего развития ресурсо- и энергосберегающих технологий в цементной промышленности [1 — 5].

В качестве одного из составляющих композиционных вяжущих была использована зола уноса Апатитской ТЭЦ. На минеральный, химический и фазовый состав золы влияет не только качественный состав минеральной части топлива, но и условия его сгорания и теплотворная способность, способ сбора и удаления золы, место их выбора. Соответственно, конечный продукт, который получается после сгорания, имеет сложный, часто нестабильный состав (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура зол уноса

Химический состав золы в основном представлен SiO2 и Al2Oз, кроме того зола включает SO3, MgO, TiO2 и т.д. Высокое содержание кальция свидетельствует о целесообразности применения в качестве сырья для производства композиционных веществ.

В зависимости от типа угля и условий его сжигания зола может содержать от 0,5 до 20,0% или более несгоревших частиц органического топлива. Содержание топливного остатка оценивается с учетом потерь в условиях прокаливания образца золы при Т = 1000 Со, было установлено, что содержание органических остатков находится в диапазоне 2-5%, что соответствует нормативным требованиям.

Большинство зол имеют сферические частицы и гладкую текстуру остеклованной поверхности. Однородность сферических частиц может быть разной. Самые простые частицы, которые состоят целиком из стекла. Существуют также частицы, внутренняя часть которых не расплавляется в процессе сгорания топлива и состоит из мельчайших минеральных и коксовых зерен. Полые сферы также образуются в результате проекции стекла в момент образования частиц. Размер сферических частиц колеблется от нескольких микрон до 50 ... 60 микрон. Частицы

стекла неправильной формы находятся в золе, некоторые частицы содержат различное количество пузырьков, так что их поверхность может быть губчатой, а также может содержать большое количество кристаллических веществ во внутренней части (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура зол уноса

03

г

м О

-I

м

Э СО

Для оценки возможности использования техногенного сырья (золы уноса и отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского ГОКа) в качестве компонента композиционного вяжущего были разработаны составы с различным содержанием клинкерной составляющей и добавкой суперпластификатором в оптимальной концентрации.

Из результатов определения оптимального содержания добавки можно сделать вывод, что из представленных добавок наибольшим пластифицирующим эффектом эффективной характеризуется «ПОЛИПЛАСТ ПФМ-НЛК» в концентрации 0,7 %. Этот суперпластификатор использовался в дальнейшем при получении композиционных вяжущих [5, 6].

Для получения высококачественных бетонов повышенной долговечности целесообразно использовать вяжущие вещества с удельной поверхностью 450-600 м2/кг в сочетании с суперпластификаторами, препятствующими агрегации частиц в водной среде и наполнителями, способствующими уплотнению структуры. Для дальнейших исследований был разработан ряд составов композиционных вяжущих, включающих в себя суперпластификатор «ПОЛИПЛАСТ ПФМ-НЛК» в количестве 0,7%, а также золы уноса и отсева дробления кварцитопесчаника в качестве кремнеземсодержащего компонента и осуществлен их совместный помол до удельной поверхности 500 м2/кг.

и

0

1

< >-

СО <и

^ а

Iе

3 к

4 5

ш щ

^ 5

^ и

. <и

4 3 < £

со ° ш ±

2 5

С т

5 Е ч §

и *

Таблица 1

Свойства вяжущих на основе техногенного сырья

Вид вяжущего Состав вяжущего Сроки схватывания, мин Предел прочности, МПа

Портландцемент АО Себряков-цемент» марки ЦЕМ I 42,5Н, % по массе Зола унос, % по массе Отсев дробления кварцитопесча-ника, % по массе начало схватывания конец схватывания при сжатии при изгибе

ТМЦ-30 30 60 10 110 220 20,8 2,4

ТМЦ-40 40 50 10 100 170 25,6 2,9

ТМЦ-50 50 40 10 80 130 41,6 4,4

ТМЦ-60 60 30 10 70 110 47,9 5,7

ТМЦ-70 70 20 10 50 100 54,7 6,5

ВНВ-30 30 60 10 180 310 26,4 3,0

ВНВ-40 40 50 10 160 270 35,8 3,9

ВНВ-50 50 40 10 140 210 47,4 5,1

ВНВ-60 60 30 10 120 170 53,6 5,8

ВНВ-70 70 20 10 90 150 62,9 7,9

ЦЕМ I 42,5 Н 100 - - 90 180 51,1 5,2

Результаты испытаний композиционных вяжущих на основе техногенного сырья, содержащих 60-70% портландцемента свидетельствуют о существенном снижении расхода клинкерной составляющей в составе этих вяжущих при обеспечении заданных характеристик. Наблюдается позитивная динамика композиционного вяжущего при совместном влиянии тонкодисперсных составляющих золы, отсева дробления кварцитопесчаника и суперпластификатора.

Введение суперпластификаторов с совместным измельчением цемента с сухой добавкой позволяет капсулировать цементное зерно, предотвращает агрегацию мельчайших частиц цемента, что приводит к увеличению прочности и увеличивает эффективность тонкоизмельченного цемента, позволяя эффективно вводить в цемент большее количество суперпластификаторов, чем при введении в бетон.

Для получения мелкозернистых бетонов для 3^ аддитивных технологий целесообразно использовать вяжущие ТМЦ-70 и ВНВ-60, как наиболее близкие по своим свойствам к традиционному портландцементу, в связи с чем в дальнейшей работе исследовались данные материалы.

Литература

1. Денисова Ю.В. Аддитивные технологии в строительстве // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №3. С. 33 - 42.

2. Гавшина О.В., Яшкина С.Ю., Яшкин А.Н., Дороганов В.А., Морева И.Ю. Исследование влияния дисперсных добавок на сроки схватывания и микроструктуру высокоглиноземистого цемента // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №4. С. 30 - 37.

3. Кожухова Н.И., Строкова В.В., Ко-жухова М.И., Жерновский И.В. Структу-рообразование в щелочеактивированных алюмосиликатных вяжущих системах с использованием природного сырья различной кристалличности // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №4. С. 38 — 43.

4. Елистраткин М.Ю., Минакова А.В., Джамиль А.Н., Куковицкий В.В., Эльян Исса Жамал Исса Композиционные вяжущие для отделочных составов // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №2. С. 37 — 44.

5. Жариков И.С., Лакетич А., Лакетич Н. Влияние качества бетонных работ на прочность бетона монолитных конструкций // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №1. С. 51 - 58.

6. Клюев С.В., Шорстова Е.С. Стекло-фибробетон: секрет популярности на рынке производства // В сборнике: Наука и инновации в строительстве (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства): сборник докладов Международной научно-практической конференции. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2017. С. 216 - 223.

7. Клюев С.В., Клюев А.В., Кузик Е.С. Аддитивные технологии в строительной индустрии // В сборнике: интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Валерия Станиславовича Лесовика. 2016. С. 54 - 58.

Z м

О

-I

м

D CD

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Клюев С.В., Клюев А.В., Шорстова Е.С. Композиционные вяжущие для фибробе-тонов, применяемых для 3^ печати. — Системные технологии. — 2019. — № 30. — С. 47—51 .

История статьи: Дата поступления в редакцию 17.02.19

Дата принятия к печати 19.02.19

и

0

1

^ °

< I-

СО <и

gl ^ а

М

ов

3 К

4 5

ш а; , s

to 3 ^ 5

^ со

. <и

4 3

< £

со ° ш ±

2 Ii

С m

5 Е ч i

и *