Бетон для 3D-печати с особыми декоративными и технологическими свойствами

Бетон для 3D-печати с особыми декоративными и технологическими свойствами

Автор: Славчева Г.С., Бритвина Е.А., Шведова М.А.

Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy

Статья в выпуске: 3 (108), 2023 года.

Бесплатный доступ

Объект исследования – декоративный бетон, распечатанный на 3D-принтере. Было исследовано влияние типа цемента и дозировки пигмента оксида железа на кинетику схватывания и выделение тепла как важную характеристику смесей для 3D-печати. Материалы и методы. Были использованы два типа смесей для 3D-печати. Состав их смеси регламентировался маркой цемента (серый ЦЕМ I 42,5 и белый ЦЕМ I 52,5 R) с различным содержанием фазы и дозировкой пигмента. Использовался неорганический синтетический пигмент на основе оксида Fe2O3. Кинетику схватывания изучали пенетрометрическим методом. Тепловыделение контролировали с помощью контактного спиртового термометра. Методами рентгеноструктурного анализа и РЭМ-микроскопии оценена микроструктура и гидратно-фазовый состав. Пластичность и стабильность формы определяли по результатам методов реометрии сжатия. Прочность на сжатие измеряли по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности с использованием эталонных образцов». Полученные результаты. Кинетика схватывания смесей для 3D-печати зависит от сочетания типа цемента и дозировки пигмента оксида железа. Выделение тепла зависит от дозировки железооксидного пигмента, поскольку сочетание алюминатной фазы метакаолина и железооксидного пигмента в смеси определяет ускорение образования гидратной фазы. Температура увеличивается в 1,2 – 1,3 раза и в 2,5 – 2,7 раза для систем на основе серого цемента и белого цемента соответственно. Сочетание высокопрочного белого цемента (ЦЕМ I 52,5 Р) с высокоактивным алюмосиликатным модификатором и железооксидным пигментом приводит к технологически недопустимому снижению схватывания. В результате открытое время смесей на основе белого цемента составляет 15 мин. Заключение. Высокое тепловыделение и быстрая кинетика схватывания приводят к технологически неприемлемому ускорению процесса схватывания и сокращению открытого времени. Проектирование смесей для 3D-печати должно основываться на настройке управления процессом.

Еще

Аддитивное производство, 3d-печать, декоративные смеси, железооксидный пигмент, технологические свойства, открытое время, тепловыделение, кинетика схватывания

Короткий адрес: https://sciup.org/143180505

IDR: 143180505   |   DOI: 10.4123/CUBS.108.5

Список литературы Бетон для 3D-печати с особыми декоративными и технологическими свойствами

  • Roussel, N. (2018) Rheological requirements for printable concretes. Cement and Concrete Research, 112, 76–85. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.04.005
  • Hou, S., Duan, Z., Xiao, J., and Ye, J. (2021) A review of 3D printed concrete: Performance requirements, testing measurements and mix design. Construction and Building Materials, 2021, 273, 121745. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121745
  • Saruhan, V., Keskinateş, M., and Felekoğlu, B. (2022) A comprehensive review on fresh state rheological properties of extrusion mortars designed for 3D printing applications. Construction and Building Materials, 337, 127629. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127629
  • Yu, K., McGee, W., Yan Ng, T., Zhu, H., and Li, V.C. (2021) 3D-printable engineered cementitious composites (3DP-ECC): Fresh and hardened properties. Cement and Concrete Research, 143, 106388. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106388
  • Wolfs, R., Boss, F., and Salet T. (2018) Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelingand experimental testing. Cement and Concrete Research, 106, 103–116. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.02.001
  • Mukhametrakhimov, R.Kh., and Lukmanova, L.V. (2021) Structure and properties of mortar printed on a 3D printer. Magazine of Civil Engineering, 2(102), 10206. https://doi.org/10.34910/MCE.102.6
  • Kruger, J., Zeranka, S., and van Zijl, G. (2020) A rheology-based quasi-static shape retention model for digitally fabricated concrete. Construction and Building Materials, 254, 119241. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119241
  • Slavcheva, G.S. (2021) Stroitel'naya 3D-pechat' segodnya: potencial, problemy i perspektivy prakticheskoj realizacii [3D-Build Printing Today: Potential, Challenges and Prospects for Implementation]. Building materials, 5, 28–36. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-791-5-28-36. (rus)
  • Tramontin Souza, M., Maia Ferreira, I., Guzi de Moraes, E., Senff, L., Arcaro, S., Renato Castro Pessôa, J., Ribeiro, M.J., and Pedro Novaes de Oliveira, A. (2022) Role of chemical admixtures on 3D printed Portland cement: Assessing rheology and buildability. Construction and Building Materials, 314, 125666. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125666
  • Marchon, D., Kawashima, S., Bessaies-Bey, H., Mantellato, S., and Ng, S. (2018) Hydration and rheology control of concrete for digital fabrication: Potential admixtures and cement chemistry. Cement and Concrete Research, 112, 96–110. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.014
  • Buswell, R.A., Leal de Silva, W.R., Jones, S.Z., and Dirrenberger, J. (2018) 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research, 112, 37–49. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
  • Le, T.T., Austin, S.A., Lim, S., Buswell, R.A., Gibb, A.G.F., and Thorpe T. (2012) Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete. Materials and Structures, 45, 1221–1232. https://doi.org/10.1617/s11527-012-9828-z
  • Chen, M., Li, L., Wang, J., Huang, Y., Wang, S., Zhao, P., Lu, L., and Cheng X. (2020) Rheological parameters and building time of 3D printing sulphoaluminate cement paste modified by retarder and diatomite. Construction and Building Materials, 234, 117391. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117391
  • Slavcheva, G., and Britvina, E. (2022) 3D-printable artificial marble. Magazine of Civil Engineering, 3(111), 11115. https://doi.org/10.34910/MCE.111.15
  • Strokova, V.V., Khmara, N.O., Nelyubova, V.V., and Shapovalov, N.A. (2021) Malye arhitekturnye formy: sostav i svojstva betonov dlya ih polucheniya [Small architectural forms: composition and properties of concrete for their production]. Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 11, 8-31. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-11-8-31. (rus)
  • Heerah, M.Z., Galobardes, I., and Dawson, G. (2021) Characterisation and control of cementitious mixes with colour pigment admixtures. Case Studies in Construction Materials, 15, e00571. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00571
  • Ghalehnovi, M., Shamsabadi, E.A., Khodabakhshian, A., Sourmeh, F., and de Brito, J. (2019) Self-compacting architectural concrete production using red mud. Construction and Building Materials, 226, 418–427. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.07.248
  • Lee, H.-S., Lee, J.-Y., and Yu, M.-Y. (2003) Influence of iron oxide pigments on the properties of concrete interlocking blocks. Cement and Concrete Research, 33(11), 1889–1896. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00209-6
  • Kramar, L.Ya., Trofimov, B.Ya., and Dobrovol'skij, I.P. (2012) Zhelezookisnye pigmenty mestnogo proizvodstva dlya dekorativnyh betonov [Iron oxide pigments of local production for decorative concrete]. Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and Architecture, 17(276), 51–55. https://elibrary.ru/download/elibrary_17737225_47181527.pdf. (rus)
  • Lee, H.-S., Lee, J.-Y., and Yu, M.-Y. (2005) Influence of inorganic pigments on the fluidity of cement mortars. Cement and Concrete Research, 35(4), 703-710. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.06.010
  • Ochkina, N.A. (2022) Teplovydelenie vysokoglinozemistogo cementa v processe gidratacii [Heat release of high-alumina cement during hydration]. Regional architecture and construction, 3(52), 96–100. https://doi.org/10.54734/20722958_2022_3_96. (rus)
  • Joseph, S., Skibsted, J., and Cizer, Ö. (2019) A quantitative study of the C3A hydration. Cement and Concrete Research, 115, 145–159. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.10.017
  • Mohan, M.K., Rahul, A.V., De Schutter, G., and Van Tittelboom, K. (2021) Early age hydration, rheology and pumping characteristics of CSA cement-based 3D printable concrete. Construction and Building Materials, 275, 122136. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.122136
  • Jin, Y., Xu, J., Li, Y., Zhao, Z., Chen, M., Lu, L., and Li, L. (2022) Rheological properties, shape stability and compressive strength of 3D printed colored cement composites modified by needle-like pigment. Additive Manufacturing, 57, 102965. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102965
  • Lootens, D., Joussett, O., Matinie, L., Roussel, N., and Flatt, R.J. (2009) Yield stress during setting of cement pastes from penetration test. Cement and Concrete Research, 39, 401–408. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.01.012
  • Slavcheva, G.S., Britvina, E.A., and Ibryaeva A.I. (2019) Stroitel'naya 3D-pechat': operativnyj metod kontrolya reologicheskih harakteristik smesej [Construction 3D printing: an operational method for controlling rheological characteristics of mixtures]. Bulletin of the Engineering School of the Far Eastern Federal University, 4(41), 134–143. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2019-4-14. (rus)
  • Manikandan, K., Wi, K., Zhang, X., Wang, K., and Qin, H. (2020). Characterizing cement mixtures for concrete 3D printing. Manufacturing Letters, 24, 33-37. https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2020.03.002
  • Bullard, J.W., Jennings, H.M., and Livingston, R.A. (2011) Mechanisms of Cement Hydration. Cement and Concrete Research, 41, 1208–1223. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.09.011
  • Slavcheva, G.S., Shvedova, M.A., and Babenko, D.S. (2018) Analiz i kriterial'naya ocenka reologicheskogo povedeniya smesej dlya stroitel'noj 3D-pechati [Analysis and criteria evaluation of rheological behavior of mixtures for 3D construction printing]. Building Materials, 12, 34–40. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-34-40. (rus)
  • Slavcheva, G.S., Britvina, E.A., and Shvedova, M.A. (2021) Fresh properties and mix design for 3D-printable decorative concrete. Russian Journal of Building Construction and Architecture, 4(52), 72–81. https://doi.org/ 10.36622/VSTU.2021.52.4.007
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp