CC BY
6
УДК 666.9.035
Азовцева О.В., Потапова Е.Н.
ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДСКОГО И СУЛЬФОАЛЮМИНАТНОГО ЦЕМЕНТОВ
Азовцева Ольга Владимировна, студентка 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; olia.azovtseva@yandex.ru;
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов; potapova.e.n@muctr.ru;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрено влияние процентного содержания портландского и сульфоалюминатного цементов в смеси на главные характеристики состава, необходимые для SD-печати. Определено, что лучшие свойства для SD-печати среди исследуемых образцов наблюдаются у составов, включающих 20-40% сульфоалюминатного цемента и 80-60% портландцемента соответственно.
Ключевые слова: 3D-печать, портландцемент, сульфоалюминатный цемент, подвижность цементов, сцепление слоёв.
BINDER FOR 3D-PRINTING BASED ON PORTLAND AND SULFOALUMINATE CEMENTS
Azovtseva O.V., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the influence of the percentage of Portland and sulfoaluminate cements in the mixture on the main characteristics of the composition required for 3D printing. It is determined that the best properties for 3D printing among the studied samples are observed in compositions including 20-40% sulfoaluminate cement and 8060% Portland cement, respectively.
Keywords: 3D printing, portland cement, sulfoaluminate cement, mobility of cements, adhesion of layers.
Введение
3D-печать является одним из самых неоднозначных, но быстроразвивающихся направлений в области аддитивных технологий. Использование 3D-технологии в строительстве открывает возможности возведения зданий практически любых форм. И это позволяет дизайнерам и архитекторам получить возможность избавиться от определенных рамок и свободно мыслить.
Строительная 3D-печать имеет ряд преимуществ. Например, использование 3D-печати в строительной отрасли позволяет организовать быстрое и точное строительство - 3D-принтер переводит цифровую модель в физический формат. Также плюсом можно считать снижение затрат труда и снижение образования отходов - компоненты могут быть напечатаны на заказ во время строительства. Также использование строительных 3D-принтеров позволяет организовывать возведение различных конструкций на территориях со сложным рельефом, где обычное традиционное строительство является затруднительным.
Одним из ограничивающих факторов на 3D-строительство является отсутствие конкретных норм и стандартов. На рабочие строительные смеси для данной сферы пока нет точных требований и регламентов. Принцип работы строительного 3D принтера основан на технологии экструдирования, при которой каждый новый слой строительного материала выдавливается из принтера поверх предыдущего слоя. 3D-печать позволяет получить уникальные бетонные формы без опалубки.
Происходит подача самой строительной смеси под давлением на головку принтера. И далее идет равномерное распределение по рабочей поверхности из сопла. В процессе укладки слоев возможна укладка арматуры вручную, если есть необходимость [1].
Однако не все строительные смеси подходят для этой задачи. Люди до сих пор стараются усовершенствовать строительные составы для этой сферы. Обычный цемент не годится для создания подобных изделий. И на данный момент нет материала, полностью удовлетворяющего необходимым характеристикам, необходимым для строительных смесей в 3D-технологии. И даже существующие материалы все еще имеют свои недостатки.
Одними из главных характеристик, важных для смесей строительной 3D-печати, являются пластичность цементов, их сроки схватывания и прочность. Наносимые слои должны иметь плотное сцепление и не растекаться под тяжестью друг друга. Также смесь должна достаточно вязкой, чтобы не вытекать, а выдавливаться из сопла принтера [2-3]. Данные свойства возможно изменять путем введения в состав смесей различных добавок, изменения соотношения количества цемента, заполнителей и т.д.
Поэтому целью данной работы является выявление оптимального соотношения ПЦ и САЦ цементов в смеси, для использования в 3D-печати.
Экспериментальная часть
Для исследований были взяты портландцемент
ЦЕМ I 42,5 Н производства ООО «Хайдельберг Цемент Рус» (далее, ПЦ) и сульфоалюминатный цемент производства ОАО «Подольск-Цемент» (далее, САЦ).
Портландцемент (ПЦ) имеет довольно большие сроки схватывания, что затрудняет его использование в 3Б-печати на производстве. Использование сульфоалюминатного цемента дает возможность сократить сроки схватывания смеси и позволяет снизить усадку при твердении, так как сам САЦ при твердении не дает усадки. Его использование на данный момент актуально еще и по причине экологического вопроса. Получение САЦ происходит при более низкой температуре, благодаря чему сокращаются выбросы углекислого газа и экономятся ресурсы.
Для исследуемых составов были определены
схватывания (СХ). С увеличением содержания САЦ в составе смеси показатели водопотребности увеличивались, поскольку САЦ характеризуется большей водопотребностью, чем ПЦ. Также добавление САЦ влияет на сроки схватывания, сокращая их. Для печати слоёв у состава 100% ПЦ слишком длительные сроки схватывания, а у 100% САЦ, наоборот, слишком короткие.
Проведенные исследования показали (табл.1), что наиболее подходящими по срокам схватывания являются смеси, состоящие из 70% ПЦ и 30% САЦ, а также 60% ПЦ+40% САЦ. Сроки схватывания таких смесей позволяют ей не затвердеть раньше времени, и при этом напечатанный слой к моменту нанесения на него нового (2-го и последующих слоев) успевает схватиться, благодаря чему слои не расползаются под собственной тяжестью.
показатели нормальной густоты (НГ) и сроки
Таблица 1. Свойства цементного теста и показатели подвижности
№ Состав НГ, % Сроки схватывания, мин Осадка конуса (Ь=60мм), мм
начало конец
1 100% ПЦ+0% САЦ 28,5 40 120 24
2 90% ПЦ+10% САЦ 30,0 35 80 21
3 80% ПЦ+20% САЦ 31,0 20 35 19
4 70% ПЦ+30% САЦ 33,0 15 30 17
5 60% ПЦ+40% САЦ 34,5 12 25 13
6 50% ПЦ+50% САЦ 36,0 10 16 8
7 40% ПЦ+60% САЦ 37,0 9 13 5
8 30% ПЦ+70% САЦ 37,5 4 11 2
9 20% ПЦ+80% САЦ 37,0 3 10 1
10 10% ПЦ+90% САЦ 38,0 2 8 0
11 0% ПЦ+100% САЦ 38,5 2 6 0
Изучены прочностные характеристики составов. Так как при печати слои выкладываются друг на друга, основной прочностной характеристикой для составов, пригодных для 3D-печати, является прочность на сжатие. По полученным данным самые высокие прочности на сжатие имеют составы, содержащие 10-30% и 90-100% САЦ. Составы, включающие 50% ПЦ и 50% САЦ, а также 40% ПЦ и 60% САЦ, характеризовались самыми низкими прочностными показателями (рис.1).
га 80
о. 123456789 10 11
С
Номер состава
■ 1 сутки ■ 7 сутки 28 сутки
Рис.1 Прочностные характеристики составов
Растворные смеси должны обладать определенной подвижностью для использования в 3Б-печати. Но на сегодняшний момент нет конкретных значений, на которые можно опереться при исследовании показателей пластичности для строительной 3D-печати. Однако можно ориентироваться, определяя данные показатели, на ГОСТ 7473-2010 [4].
Методом осадки конуса (конус в лабораторных условиях брался с размерами Б1=38 мм, Б2=65 мм, Ь=60 мм) был определен важный показатель для печатных смесей - подвижность растворных смесей. По полученным данным среди исследуемых образцов составы №1-5 имеют самые оптимальные показатели для печати слоёв.
Образцы под номерами 6-8 являются слишком густыми и имеют малую осадку конуса (табл.1). А смеси, включающие в состав от 80% САЦ и выше, являются слишком жесткими, и плохо будут выдавливаться из сопла. То есть самыми оптимальными для 3D-печати по показателям подвижности являются составы, включающие от 60% ПЦ и выше.
Также были изучены свойства слоёв различных составов. Их внешний вид зависел от процентного
соотношения ПЦ и САЦ в смеси. Самые ровные слои имели составы, содержащие 30, 40 и 50% САЦ. С повышение содержания САЦ слои выходят из сопла сложнее и получаются более рваные. А слишком большое количество ПЦ делает слои расплывчатыми (рис.2).
По профилю слоёв, выдавленных друг на друга, можно отметить, что хорошее сцепление наблюдается у составов, включающих от 0 до 70% САЦ, с увеличением САЦ в составе слои сцепляются все хуже. Однако у составов, содержащих до 80% ПЦ, слои расплываются и деформируются под собственным весом (рис.3).
IIIIII
а) б) в) г) д) е)
НИ!
ж) з) и) к) л)
Рис.2 Вид одного рабочего слоя: а - 100%САЦ; б -90%САЦ; в - 80%САЦ; г - 70%САЦ; д - 60%САЦ; е -
50%САЦ; ж - 40%САЦ; з - 30%САЦ; и - 30%САЦ; к - 10%САЦ; л - 0%САЦ
Заключение
Исследование свойств вяжущих с различным содержанием САЦ и ПЦ цементов в смеси позволило выделить оптимальные составы, которые возможно использовать в качестве материала для 3D-принтеров. Изучение послойного нанесения составов
и их сцепления для исследуемых образцов показало, что наилучшими свойствами характеризуются составы, содержащие от 20 до 40% сульфоалюминатного цемента.
а) б) в) г) д) е)
Шшш
ж) з) и) к) л)
Рис.3 Сцепление рабочих слоёв: а - 100%САЦ; б -90%САЦ; в - 80%САЦ; г - 70%оСАЦ; д - 60%САЦ; е -50%САЦ; ж - 40%САЦ; з - 30%САЦ; и - 30%САЦ; к - 10%оСАЦ; л - 0%САЦ
Список литературы
1. Xin Huang, Study on the mechanical properties of 3D printing concrete layers and the mechanism of influence of printing parameters / Xin Huang, Weihao Yang, Fangnian Song, Jiuqun Zou // Construction and Building Materials., 2022. Vol. 335, 127496.
2. Ekaterina Potapova, Tatiana Guseva, Kirill Shchelchkov, Hans-Betram Fischer. Mortar for 3D printing based on gypsum binders // Materials Science Forum, 2021. 1037. Р. 26-31.
3. Безногова, О. Ю. Модификация состава вяжущего для 3D-печати / О. Ю. Безногова, О. В. Азовцева, Е. Н. Потапова // Успехи в химии и химической технологии. 2021. Т. 35. № 14(249). С. 10-12.
4. ГОСТ 7473-2010 Смеси бетонные. Технические условия. Характеристики бетонных смесей. Испытание бетонной смеси. М.: Издательство стандартов, 2010. 19 с.
i2
