CC BY
142
УДК 691.5
Торшин А.О., Боровикова С.О., Корчунов И.В., Потапова Е.Н. РАЗРАБОТКА СТРОИТЕЛЬНОЙ СМЕСИ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ
Торшин Антон Олегович, студент 2 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: antoni-94@mail.ru;
Боровикова Светлана Олеговна, студентка 1 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Корчунов Иван Васильевич, студент 2 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Основным препятствием, тормозящим проекты по широкому распространению технологии 3D-печати, является отсутствие строительного материала, который был бы прочным, быстро схватывался и держал форму. Традиционные бетон и кирпич здесь не подходят, а новые материалы требуют тщательных и долговременных испытаний. В результате проведенных исследований, был получен состав на основе портландцемента с комплексом функциональных добавок и заполнителем, который может использоваться в 3Б-технологии.
Ключевые слова: цементное вяжущее, 3Б-печать, добавки.
DEVELOPMENT OF CONSTRUCTION MIXTURE FOR 3D-PRINTING
Torshin A.O., Borovikova S.O., Korchunov I.V.,Potapova E.N. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The main obstacle hindering projects using 3D printing technology is the lack of building material that would be strong, with quick setting and kept in shape. Traditional concrete and brick are not suitable here, and new materials require thorough and long-term testing. As a result of the studies, a Portland cement-based composition was developed with a complex of functional additives and a filler that can be used in 3D technology.
Keywords: cement binder, 3D-printing, additives.
Развитие бетонной печати началось в середине 1990-х гг. в Калифорнии, США, когда Хошневис представил технологию, называемую «Контурная печать». В качестве автоматизированного процесса строительства «Контурная печать» стремится к повышению стандартов безопасности (как для жителей, так и для рабочих) и эффективности строительства. В последние годы новаторскую работу провели Университет Лафборо, Великобритания, китайская компания Winsun, Xtree из Франции, Apis cor в России и команда Minibuilders в Институте передовой архитектуры Каталонии, с целью обеспечения доступного жилья для людей, живущих во всем мире.
Несмотря на то, что интерес к SD-печати растёт невероятно быстро, возникают сомнения, связанные со свойствами возводимых, по такой технологии, объектов, так как она отличается от стандартной. Вместо заливки бетона в заранее заготовленную опалубку, бетон экструдируется слой за слоем. Поэтому свойства раствора и параметры печати, такие как время печати, скорость и т.д., играют важную роль в прочностных характеристиках
печатаемого объекта. Поскольку при данной технологии строительства не требуется опалубка, а материал должен выдавливаться (подаваться) из сопла по заранее спроектированной форме, то реология раствора играет важную роль.
Так как при 3D-печати не используется ни какая опалубка, то традиционный бетон нельзя использовать. Для обеспечения минимальной деформации или её полного отсутствия в слоях требуется нулевая осадка, но сам бетон должен спокойной перекачиваться насосом.
При использовании таких бетонов уделяется особое внимание гранулометрическому составу. Другим важным реологическим свойством является тиксотропия. Это снижение вязкости при воздействии на материал, а потом восстановление этого показателя при прекращении воздействия. Тиксотропия важна, поскольку материал нужно свободно перекачивать через сопло, а с другой стороны, он должен набирать достаточную прочность для переноса нагрузки при дальнейшей печати. Механическая прочность экструдированных образцов может быть выше, чем литых. Это
объясняется образованием более плотной матрицы в процессе экструзии, так как определенное давление прикладывается к материалу, что приводит к уменьшению пустотности и увеличению прочности. Однако для многочисленных слоёв этот механизм может не доминировать, так как другие факторы (форма сопла, сложность объекта, время прохождения слоёв) также оказывают значительное влияние на конечные свойства материала [1].
Время печати между слоями является одним из наиболее важных свойств, определяющих прочность напечатанных структур. Это зависит от периметра строящегося здания и скорости печати. Роль скорости печати была изучена многими исследователями, однако при бетонной печати этот эффект заметнее из-за более толстой ширины борта по сравнению с другим процессом печати на основе экструзии. В общем, оптимальную скорость печати можно определить, учитывая свойства свежего материала и скорость его подачи. Баланс между этими параметрами обеспечивает постоянную ширину борта в процессе печати. Можно предположить, что более высокая скорость печати (более чем оптимальная скорость), возможно, создает микропустоты в осажденном непрерывном слое, которые иногда влияют на прочностные свойства материала [2].
По сравнению с традиционным строительством, можно понять, что при 3D-печати происходит меньше материальных потерь, минимизируется использование человеческих ресурсов и снижается стоимость опалубки, что составляет около 40% от общего бюджета. Потенциал автоматизации, устранения опалубки, сокращение или устранение отходов и производство сложных геометрий делает 3D-печать интересной перспективой для строительной отрасли.
Это могло бы привести к интенсивным исследованиям и разработкам для того, чтобы довести технологию до реализации и повсеместного использования [3].
Наконец, для принятия 3D-печати как новой технологии строительства, требуются стандарты для используемых материалов, спецификации и т.д. Эти стандарты и их надлежащее применение при проектировании и строительстве должны
обеспечивать достижение соответствующих уровней надежности.
Поэтому целью данной работы решено было поставить создание состава на основе портландцемента с функциональными добавками, который мог бы использоваться в технологии 3D-печати.
На основании ранее проведенных исследований [4] было решено создать состав с комплексом добавок, изменяющих реологию вяжущего. Были определены оптимальные концентрации добавок для создания комплекса. Гиперпластификатор Melflux 1641 (ГП) показывает наилучшие показатели при содержании добавки в количестве 0,3%, редиспергирующий полимерный порошок (РПП) так же при 0,3 %. Наилучшие показатели продемонстрировали эфиры целлюлозы FMC 21010 (ЭЦ) в количестве 0,1 %. Модификатор реологии Obtibent 1056 (МР) служит для придания растворной смеси вязкости. Но в отличие от эфиров, он не снижает прочностные показатели цементного камня, а по заверению производителей, модификатор реологии и эфиры целлюлозы обладают синергетическим воздействием при совместном введении, что подтверждается проведёнными исследованиями по измерению вязкости раствор (таблица 1).
Совместное введение модификатора реологии и эфиров целлюлозы дало очень сильный эффект, смесь получилась очень вязкой и неудобоукладываемой.
Таким образом, было решено приготовить комплекс, включающий в себя такие добавки как, гиперпластификатор Melflux, редиспергирующий порошок VINNAPAS, эфир целлюлозы FMC 21010 и модификатор реологии Obtibent. Характеристики растворной смеси, основанной на данном комплексе, приведены в таблице 2.
Далее было решено модифицировать состав заполнителем, так как он позволяет сократить расход вяжущего и уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона — что имеет высокое значение при разработке состава для строительной 3D-печати.
Были приготовлены составы с заполнителем с различным цементно-песчаным отношением (таблица 3).
Таблица 1. Вязкость растворной смеси
Добавки Б/Д 0,3 % ГП 0,3 % РПП 0,2 % МР 0,1 % ЭЦ ЭЦ+МР Комплекс
Вязкость, Па-с 0,156 0,05 0,084 1,223 0,834 2,314 1,526
Таблица 2. Характеристики растворной смеси
Нормальная густота, % Сроки схватывания Плотность, г/см3 Вязкость, Па-с
начало конец
27 45 120 2,276 1,526
Таблица 3. Составы с заполнителем
Номер состава 1 2 3 4
Соотношение Цемент/ 2/ 1 1/ 1 1/ 2 1/ 3
песок
Для данных составов были измерены сроки схватывания (таблица 4). При введении заполнителя в соотношении 2/1 и 1/1 наблюдается увеличение сроков схватывания, но при увеличении количества заполнителя сроки снижаются, это может быть связано с тем, что при увеличении количества заполнителя отношение воды к цементу остаётся неизменным, но к общей массе уменьшается.
Цементно-песчаные составы с разным соотношением цемент/ песок характеризуются разной прочностью (рисунок). Наибольшая прочность характерна для состава 2, содержавшего равное количество цемента и песка.
Таблица 4. Характеристики растворной смеси
Свойства Составы
Компл 1 2 3 4
В/Ц, % 27 50
Сроки схватывания, мин
Начало 45 70 60 45 40
Конец 100 150 120 95 100
увеличение прочностных показателей на 28 сут (46,1 и 47,2 МПа соответственно).
Далее была измерена осадка цементного теста. Опыт проводился на конусе для измерения растекаемости цемента, высотой 60 мм, диаметрами нижнего и верхнего отверстия 64 и 36 мм соответственно.
Состав 1 характеризуется большей усадкой (6 мм), чем комплекс без заполнителя (4 мм), что может быть связано с большим количеством воды затворения, так как бралось 50 % от массы цемента, которого в составе 2/3. Состав 2 продемонстрировал минимальную усадку (1 мм) и совсем не подвергся растеканию.
Таким образом, был разработан состав с комплексом добавок (гиперпластификатора МеШих в количестве 0,3 %, 0,3 % редиспергирующего порошок VINNAPAS, 0,1 % эфиров целлюлозы FMC 21010 и 0,2 % модификата реологии ОЫШеП;).и заполнителем с соотношением цемента и песка 1:1. Данный состав обладает малой растекаемостью (1 мм), высокой вязкостью (1,526 Па-с) и является удобоукладываемым. Для него характерна повышенная прочность (на сжатие 47,2 МПа на 28 сутки твердения) в сравнении с составом без заполнителя (42,7 МПа).
ш ии р *
Рисунок. Влияние вида песка на прочность вяжущего (28
сут)
Таким образом, установлено, что оптимальными являются составы 1 и 2, так как они позволяют сократить расход вяжущего, а так же демонстрируют
Список литературы
1. Suvash Chandra Paul, Yi Wei Daniel Tay, Biranchi Panda, Ming Jen Tan, Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction // Archives of Civil and Mechanical Engineering. -2018. - С. 311-319.
2. Ali Kazemian, Xiao Yuan, Ryan Meier, Evan Cochran, Behrokh Khoshnevis, Construction-scale 3d printing: shape stability of fresh printing concrete // 12th International Manufacturing Science and Engineering Conference, -2017. - С. 1-5
3. Biranchi Panda, Suvash Chandra Paul, Nisar Ahamed Noor Mohamed, Yi Wei Daniel Tay, Ming Jen Tan Measurement of tensile bond strength of 3D printed geopolymer mortar // Measurement. - 2018. - 113. - С. 108-116.
4. Торшин А.О., Боровикова С.О., Потапова Е.Н. Изменение реологических свойств цементных растворов в присутствии добавок. // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXXI, № 1 (182). - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, -2017. -С. 46-48.
