CC BY
12
УДК 666.9.035
Безногова О.Ю., Потапова Е.Н.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АДДИТИВНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Безногова Ольга Юрьевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры общей технологии силикатов; olga.beznogova.24@gmail.com.
Потапова Екатерина Николаевна - доктор технических наук, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассматривается влияние различных функциональных добавок, таких как гиперпластификатор, эфир целлюлозы и редиспергируемый полимерный порошок, на свойства цементной смеси, состоящей из портландцемента и сульфоалюминатного цемента. В ходе исследования были разработаны рабочие составы с наиболее оптимальными свойствами для строительной 3Б-печати.
Ключевые слова: портландцемент, сульфоалюминатный цемент, аддитивное производство, функциональные добавки.
MATERIALS FOR ADDITIVE MANUFACTURING CONSTRUCTION
Beznogova O.Yu., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the effect of various functional additives, such as hyperplasticizer, cellulose ether and redispersible polymer powder, on the properties of a cement mixture consisting of Portland cement and sulfoaluminate cement. In the course of the study, working compositions with the most optimal properties for construction 3D printing were developed. Key words: Portland cement, sulfoaluminate cement, additive manufacturing, functional additives.
Введение
Одной из самых прогрессивных современных технологий является 3D-печатъ. Серийная 3D-печатъ зданий становится реальностью - с помощью строительных 3Б-принтеров печатают дома в России, Китае, странах Европы, Азии и Америки [1]. Такие принтеры можно использовать не только в строительных целях. С их помощью можно также производить художественные изделия. Современные технологии позволяют создать огромное разнообразие декоративных эффектов, фактур и цветов. Можно имитировать различные поверхности, например, дерево или камень, что позволит сократить значительные расходы на добычу и доставку натуральных материалов.
Строительный материал для возведения несущих элементов конструкции (стен, перекрытий) - это быстротвердеющий реакционно-порошковый бетон, армированный стальной или полимерной микрофиброй. Особенностью этого бетона является отсутствие крупного заполнителя без потери в соотношении вяжущие/твердая составляющая, а также высочайшие эксплуатационные характеристики [2, 31.
Чтобы придать цементному раствору требуемые свойства, в него вводят функциональные добавки, а также различные наполнители, влияющие на физико-химические и химические процессы при твердении. Наиболее значимыми параметрами смеси для 3D-принтера являются сроки схватывания и набора прочности, а также пластичность цемента и его прочность. Все эти свойства можно контролировать изменением состава смеси: регулировать количество цемента, качество заполнителя и добавлять пластификаторы.
С помощью введения функциональных добавок можно регулировать основные свойства цементной смеси (например, прочность, пластичность, пористость) и придать ей специальные качества. При этом важно комплексно исследовать каждый состав, ведь при улучшении одних показателей могут значительно ухудшаться другие. Правильный выбор функциональных добавок играет важную роль в производстве строительных материалов и изделий из бетона.
Экспериментальная часть
Известно, что сульфоалюминатный клинкер позволяет получить быстротвердеющий раствор с большей плотностью и водонепроницаемостью. При этом портландцемент имеет меньшую водопотребность, что позволяет экономить ресурсы, и более широкий интервал между началом и концом схватывания, что дает больше времени для формования. Поэтому целесообразным для приготовления рабочей смеси будет использование комбинации двух видов цементов.
Для работы были приготовлены две цементные смеси на основе портландцемента (ПЦ) и сульфоалюминатного цемента (САЦ): 1/3 САЦ + 2/3 ПЦ - 1:2 и 2/3 САЦ + 1/3 ПЦ - 2:1.
В ходе работы были изучены процессы затворения и твердения смеси цементов без, а также в присутствии функциональных добавок разной концентрации: эфира целлюлозы Месе1^е FMC 75502 (ЭЦ), при концентрации 0,15; 0,2 и 0,3%; гиперпластификатора МеШих 164^ (ГП), при концентрации 0,2; 0,3 и 0,5% и редиспергируемого полимерного порошка Vinnapas 5010N (РПП) при концентрации 0,1; 0,2 и 0,3%.
Для подбора оптимальной смеси для каждого состава были определены нормальная густота (НГ) и
сроки схватывания цементного теста. На основании полученных значений готовили цементное тесто и формовали образцы-балочки. Изготовленные образцы проходили испытание на прочность на изгиб и сжатие на 1, 3, 7, 14 и 28 сут твердения.
Исследование состава САЦ + ПЦ в соотношении
1:2
Вяжущее, полученное смешением 1/3 САЦ с 2/3 ПЦ позволяет уменьшить нормальную густоту, по сравнению с чистым сульфоалюминатным цементом с 40,0 до 32,8 %. При этом сроки схватывания сдвигаются и увеличивается интервал между началом и концом схватывания, что дает больше времени для работы с раствором.
При добавлении эфира целлюлозы НГ возрастает с увеличением концентрации добавки (с 32,8 % у САЦ+ПЦ без добавок до 45,0% с добавкой 0,3% Месе1^е FMC 75502) из-за способности эфира целлюлозы удерживать воду внутри смеси. Начало схватывания при малой концентрации увеличивается до 12,5 минут, а с повышением концентрации добавки снижается до 3,5 минут. Конец схватывания наступает позднее, чем у бездобавочной смеси, при этом с увеличением концентрации добавки конец схватывания наступает раньше (от 27,0 мин при 0,15% до 18,8 мин при 0,3%).
Наибольшую прочность на сжатие на 28 сут имеет чистый портландцемент (36 МПа). Вяжущее 1/3 САЦ + 2/3 ПЦ без добавок имеет большие значения прочности (30,5 МПа), чем с добавкой. При добавлении ЭЦ прочность смеси на сжатие снижается с увеличение концентрации добавки (с 25,2 до 17,6 МПа). Наибольшую прочность на изгиб на 28 сутки имеет состав 1/3 САЦ + 2/3 ПЦ без добавок (21,9 МПа), а среди модифицированных составов - состав с добавкой 0,15% ЭЦ (17,7 МПа).
Введение гиперпластификатора МеШих 1641 снижает значение НГ с увеличением концентрации добавки (с 32,8 % до 23,3 % при введении 0,5% ГП). Сроки схватывания увеличиваются по сравнению с бездобавочным составом: начало наступает позже на 5 мин, а конец - на 16 мин.
Среди модифицированных составов наибольшую прочность на изгиб и на сжатие имеет состав с добавлением 0,5% гиперпластификатора (36,7 МПА сжатие и 35,2 МПа изгиб).
При увеличении концентрации добавки РПП возрастает водопотребность смеси (от 32,8 % до 37,0 %). При этом начало и конец схватывания наступают позже, а интервал между началом и концом схватывания увеличивается (с 11,2 до 18,9 мин).
Наибольшим значением прочности обладает состав с добавкой 0,2% РПП (31,3 МПа сжатие и 26 МПа изгиб). При этом прочность на сжатие составов с добавкой значительно ниже бездобавочной смеси, а прочность на изгиб - значительно выше.
Исследование состава САЦ + ПЦ в соотношении
2:1
При смешивании сульфоалюминатного цемента с портландцементов в соотношении 2:1 удается снизить
нормальную густоту с 40,0 % до 36,0 % в сравнении с чистым САЦ. При этом начало схватывания сдвигается до 4 мин, что дает больше времени для формования.
При добавлении ЭЦ повышается нормальная густота (от 36,0 % до 41,5 %). Добавление 0,2% эфира целлюлозы дает больше времени для формования, т.к. начало схватывания происходит позже остальных составов (на 6 минуте после затворения).
Наибольшим показателем прочности
характеризуется состав без добавок (30,4 МПа сжатие и 27,8 МПа изгиб). Среди составов с добавкой эфира целлюлозы наибольшие прочности на сжатие и изгиб имеет состав с добавкой 0,15% (14,6 МПа). При увеличении концентрации добавки прочность снижается.
Введение гиперпластификатора значительно снижает НГ цементного теста с увеличением концентрации добавки (от 36,0 до 30,0 %). Наименьшую нормальную густоту имеет состав с добавкой 0,5% ГП (30,0 %). При этом ГП удлинняются сроки схватывания. Начало схватывания начинается позже, а интервал между началом и концом схватывания расширяется.
С увеличением концентрации ГП увеличивается прочность образцов. Состав с добавкой 0,5% ГП имеет наивысшие показатели прочности (44,7 МПа сжатие и 35,1 МПа изгиб).
Добавление РПП к составу позволяет уменьшить нормальную густоту с увеличением концентрации добавки (от 36,0 до 35,0 %). При этом, чем выше концентрация добавки, тем раньше наступают начало и конец схватывания.
Прочность образцов на сжатие снижается при увеличении концентрации добавки, а прочность на изгиб - повышается. Таким образом, среди составов с добавкой РПП наиболее оптимальными свойствами обладает состав САЦ + ПЦ + 0,2 % РПП (19,8 МПа сжатие и 30,4 МПа изгиб.
Создание рабочих составов с комплексными
добавками
На основании исследования влияния индивидуальных модифицирующих добавок были выбраны их оптимальные концентрации для разработки рабочих составов с комплексными добавками, которые будут пригодны для строительной 3D-печати. Для каждого состава были установлены нормальная густота и сроки схватывания. Состав рабочих смесей, а также данные о нормальной густоте, сроках схватывания и открытой пористости представлены в табл. 1.
Состав 3.2 имеет наименьшую нормальную густоту (31%). Состав 3.1 имеет самые широкие сроки схватывания (18-25 мин). При этом, состав 3.1 имеет наиболее высокое значение НГ - 38 %. Добавление модификаторов увеличивает сроки схватывания, что дает больше времени для формования.
На рис. 1 представлены графики зависимости прочностных показателей исследуемых составов при сжатии и изгибе от времени твердения.
Таблица 1. Нормальная густота, сроки схватывания цементного теста с комплексными добавками
Состав НГ, % Сроки схватывания, мин
начало конец
САЦ 40,0 2 3
ПЦ 29,6 45 140
1. САЦ (1/3) + ПЦ (2/3) 32,8 4 12
2. САЦ (2/3) + ПЦ (1/3) 36,0 4 7
3.1 САЦ (1/3) + ПЦ (2/3) + 0,2% РПП + 0,15% ЭЦ+ 0,2% ГП 38,0 18 25
3.2 САЦ (2/3) + ПЦ (1/3) + 0,2% РПП + 0,15% ЭЦ+ 0,2% ГП 31,0 4 6
35
* 20
•
L чг
---X-----"""
4M -а- 3.1 САЦ (М) + ПЦ (Ш) + 0i W РПП + од;»4 ЭЦ + 0,2% ш -0-3.2 САЦ (М) + ПЦ (Ш) + 0ß U РПП + D,15№ ЭЦ + 0,2% ГП -1. САЦ ГШ)+ПЦ ГС/Э)
-Х-2. САЦ (2(3) + ПЦ (1/3)
= 20
В 15
¡5
V
я 10
-
^ -0-3.1 —о—3.2 САЦ (2/3) + ПЦ (1/3) + Ц2» РПП + 0Д5% ЭЦ + 6JW ГП САЦ (2/Э) + ПЦ (1Л) + 11.2<>ь РПП + 0,15% ЭЦ + l!.l<h ГП
—: — 1. САЦ (1/3) + ПЦ (2/3) —Ж—2. САЦ (2/3) + ПЦ (1/3)
10 15 20
Время твердения, сутки
25
30
10 15 20
Время твердения, сутки
Рис. 1 Кинетика твердения вяжущего на основе САЦ и ПЦ с модифицирующими добавками:
а - при сжатии, б - при изгибе
Состав на основе смеси САЦ и ПЦ в соотношении 2:1 (состав 3.2) имеет большие значения прочности на изгиб и сжатие, по сравнению с составом САЦ и ПЦ в соотношение 1:2 (состав 3.1). При этом, у состава 3.1 наблюдается снижение прочности на изгиб на 7 и 14 сут. При этом состав 3.2 имеет большие значения прочности, чем составы 1 и 2 без добавок. Заключение
Таким образом, введение функциональных добавок позволяет регулировать такие параметры как сроки схватывания, нормальную густоту и прочность вяжущего. В ходе работы были проведены исследования характеристик смеси
сульфоалюминатного цемента и портландцемента без добавок, а также с добавлением гиперпластификатора, эфира целлюлозы, редиспергируемого полимерного порошка.
Установлено, что вяжущее состава 1/3 САЦ + 2/3 ПЦ имеет меньшую водопотребность. Начало схватывания у такого состава наступает позже, что дает больше времени для затворения и формования. При этом состав 2/3 САЦ + 1/3 ПЦ имеет более высокие показатели прочности, что важно для долговечности будущих конструкций.
Исследования влияния функциональных добавок показало, что лучшие показатели по прочности
имеют составы с добавкой 0,2 % РПП, 0,5 % ГП. Добавка ЭЦ увеличивает нормальную густоту цементного теста, а сроки схватывания замедляются. Прочностные характеристики снижаются по сравнению с бездобавочными составами. Поэтому наиболее оптимальные свойства имеет концентрация 0,15 %.
На основании исследования были выбраны их оптимальные концентрации и разработаны рабочие составы с комплексными добавками. Эти составы показали высокие значения прочности, оптимальные сроки схватывания и водопотребность, что делает их пригодными для строительной SD-печати.
Список литературы
1. ЭБ-печать в строительстве: как это работает, технологии и SD-принтеры [Электронный ресурс] — URL: https://top3dshop.ru/blog/3d-printing-of-buildings-technologies-and-3d-printers.html (дата обращения: 15.05.2022).
2. Потапова Е.Н. Конструирование изделий из минеральных вяжущих. М.:РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2016, с. 228.
3. Безногова О.Ю., Азовцева О.В., Потапова Е.Н. Модификация состава вяжущего для SD-печати// Успехи в химии и химической технологии. 2021. Т. 35, № 14 (249). С. 10-12.
б
