Обоснование критериальных требований к наполнителям в составах смесей для строительной 3D-печати

Обоснование критериальных требований к наполнителям в составах смесей для строительной 3D-печати

Автор: Славчева Г.С., Разов И.О., Солонина В.А., Панченко Ю.Ф.

Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild

Рубрика: Строительное материаловедение

Статья в выпуске: 4 т.15, 2023 года.

Бесплатный доступ

Введение. В рамках решения задачи создания новых материалов для аддитивных технологий произведен анализ состояния вопроса, выявлена проблема отсутствия общих подходов к выбору сырьевых компонентов смесей. Теоретическая концепция. На основании подходов фундаментальной структурной реологии, физико-химической механики дисперсных систем, теории упаковок зернистых сред теоретически обоснованы критериальные требования к характеристикам наполнителей, предложены численные критерии их оценки. Данные численные критерии предложено применять для предварительной комплексной оценки наполнителей в задачах проектирования составов смесей для строительной 3D-печати. Материалы и методы. Характеристики наполнителей оценены методами сканирующей электронной микроскопии с использованием сканирующего электронного микроскопа Thermo Scientific™ Phenom™ Desktop SEM с обработкой изображений в программном комплексе «ParticleMetric»; лазерной гранулометрии с использованием лазерного анализатора размера частиц «Анализетте 22». Результаты. Произведена оценка цемента и 5 видов наполнителей, отличавшихся размерностью и ролью в формировании свойств смеси. Определены их расчетные критериальные характеристики: средний диаметр частиц, гранулометрическая константа, коэффициент формы частиц. Установлены граничные значения данных характеристик для частиц различной морфологии и дисперсности. Заключение. На основании использования предложенных теоретических подходов определены направления исследований, которые связаны с получением экспериментальных закономерностей влияния критериальных характеристик наполнителей на реологические характеристики смесей; ранжированием по значимости данных характеристик и обоснование требований к диапазону дозировок наполнителей в зависимости от их размеров, формы и гранулометрии.

Еще

Цементные композиты, аддитивные технологии, моделирование, наполнители, реология

Короткий адрес: https://sciup.org/142238804

IDR: 142238804   |   DOI: 10.15828/2075-8545-2023-15-4-298-309

Список литературы Обоснование критериальных требований к наполнителям в составах смесей для строительной 3D-печати

  • Paul S.C., Tay Y.W.D., Panda,B., Tan M.J. Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018; 18(1): 311 – 319. https://doi.org/10.1016/j.acme.2017.02.008
  • Ma G., Li Z., Wang L. Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing. Construction and Building Materials. 2018; 16: 613 – 627. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.051
  • Mechtcherine V.et al. Extrusion-based additive manufacturing with cement-based materials – Production steps, processes, and their underlying physics: A review. Cement and Concrete Research. 2020; 132: 106037. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106037
  • Perrot A. et al. From analytical methods to numerical simulations: A process engineering toolbox for 3D concrete printing. Cement and Concrete Composites. 2021; 122: 104164. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104164
  • Rehman A. U., Kim J. H.3d concrete printing: A systematic review of rheology, mix designs, mechanical, microstructural, and durability characteristics. Materials. 2021; 14(14): 3800. https://doi.org/10.3390/ma14143800
  • Lu B., Weng Y., Li M., Qian Y. Leong K.F., Tan M. J., Qian S. A systematical review of 3D printable cementitious materials. Construction and Building Materials. 2019; 207: 477–490. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.144
  • Jiao D., Shi C., Yuan Q., An X., Liu Y., Li H. Effect of constituents on rheological properties of fresh concrete-A review. Construction and Building Materials. 2017; 83: 146–159.
  • Mohan M. K., Rahul A. V., Kim V. T., De Schutter G. Evaluating the Influence of Aggregate Content on Pumpability of 3D-Printable Concrete. RILEM Bookseries. 2020; 28: 333–341. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49916-7_34
  • El-Hassan H., Alnajjar F., Al Jassmi H., Ahmed W. Fresh and Hardened Properties of 3D-Printed Concrete Made with Dune Sand. RILEM Bookseries. 2020; 28: 225–234. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49916-7_23
  • Cuevas K., Chougan M., F. Martin, Ghaffar S. H., Stephan D., Sikora P. 3D printable lightweight cementitious composites with incorporated waste glass aggregates and expanded microspheres – Rheological, thermal and mechanical properties. Journal of Building Engineering. 2021; 44: 102718. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102718
  • Chen Y., Zhang Y., Pang B., Liu Z., Liu G. Extrusion-based 3D printing concrete with coarse aggregate: Printability and direction-dependent mechanical performance. Construction and Building Materials. 2021; 296: 123624. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123624
  • Bai G., Wang L., Ma G., Sanjayan J., Bai M. 3D printing eco-friendly concrete containing under-utilised and waste solids as aggregates. Cement and Concrete Composites. 2021; 120: 104037. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104037
  • Álvarez-Fernández M. I., Prendes-Gero M. B., González-Nicieza C., Guerrero-Miguel D. J., Martínez- Martínez J. E. Optimum mix design for 3D concrete printing using mining tailings: A case study in Spain. Sustainability. 2021; 13(3): 1 – 14. https://doi.org/10.3390/su13031568
  • Ma G., Li Z., Wang L. Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing. Construction and Building Materials. 2018; 162: 613 – 627. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.051
  • Ting G. H. A., Tay Y. W. D., Qian Y., Tan M. J. Utilization of recycled glass for 3D concrete printing: rheological and mechanical properties. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2019; 29: 00857. https://doi.org/10.1007/s10163-019-00857-x
  • Cuevas K., Chougan M., Martin F., Ghaffar S. H., Stephan D., Sikora P. 3D printable lightweight cementitious composites with incorporated waste glass aggregates and expanded microspheres – Rheological, thermal and mechanical properties. Journal of Building Engineering. 2021; 44: 102718. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102718
  • Panda B., Ruan S., Unluer C., Tan M.J. Improving the 3D printability of high volume fly ash mixtures via the use of nano attapulgite clay. Composites Part B Engineering. 2019; 165: 75 – 83.
  • Park C., Noh M., Park T. Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures. Cement and Concrete Research. 2005; 35: 842 – 849.
  • Shakor P., Nejadi S., Paul G., Malek S. Review of emerging additive manufacturing technologies in 3d printing of cementitious materials in the construction industry. Frontiers in Built Environment. 2019; 4: 00085. https://doi.org/10.3389/fbuil.2018.00085
  • Liu Z., Li M., Weng Y., Wong T. N., Tan M. J. Mixture Design Approach to optimize the rheological properties of the material used in 3D cementitious material printing. Construction and Building Materials. 2019; 198: 245 – 255. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.252
  • Varela H., Barluenga G., Palomar I. Rheology Evaluation of Cement Paste with Nanoclays, Nanosilica and Polymeric Admixtures for Digital Fabrication. RILEM Bookseries. 2020; 28: 144 – 152, 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49916-7_15
  • Varela H., Barluenga G., Palomar I. Influence of nanoclays on flowability and rheology of SCC pastes. Construction and Building Materials. 2020; 243: 118285. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118285
  • Qian Y., De Schutter G. Enhancing thixotropy of fresh cement pastes with nanoclay in presence of polycarboxylate ether superplasticizer (PCE). Cement and Concrete Research. 2018; 111: 15 – 22. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.06.013
  • Kawashima S., Chaouche M., Corr D.J., Shah S.P.: Rate of thixotropic rebuilding of cement pastes modified with highly purified attapulgite clays. Cement and Concrete Research. 2013; 53: 112 – 118. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.05.019
  • Weng Y., Li M., Tan M. J., Qian S. Design 3D printing cementitious materials via Fuller Thompson theory and Marson-Percy model. Construction and Building Materials. 2018; 163: 600–610. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.112
  • Slavcheva G., Artamonova O., Babenko D., Ibryaeva A. Effect of Limestone Filler Dosage and Granulometry on the 3D printable Mixture Rheology. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. V International Conference Safety Problems of Civil Engineering Critical Infrastructures. 2020; 972: 012042. https://doi.org/10.1088/1757-899X/972/1/012042
  • Славчева Г.С., Артамонова О.В. Управление реологическим поведением смесей для строительной 3d-печати: экспериментальная оценка возможностей арсенала «нано» // Нанотехнологии в строительстве. 2019. 11 (3). 325–334. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2019-11-3-325-334
  • Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. М.: Изд. Наука, 1979. 381 с.
  • Круглицкий Н.Н. Очерки по физико-химической механике. Киев: Изд. Наукова думка, 1988. 224 с.
  • Урьев Н.Б. Физико-химическая динамика структурированных нанодисперсных систем и нанодисперсных композиционных материалов. Часть 1 // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2010. Т. 46, № 1. С. 3–23.
  • Белов В.В. Компьютерная реализация решения научно-технических и образовательных задач: учебное пособие / В.В. Белов, И.В. Образцов, В.К. Иванов, Е.Н. Коноплев. Тверь: ТвГТУ, 2015. 102 с.
  • Химическая энциклопедия / под ред. Н.С. Зефирова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. Т. 4. 447 с.
  • Королев Л.В. Анализ упаковки полидисперсных частиц в композитных строительных материалах / Л.В. Королев, А.П. Лупанов, Ю.М. Придатко // Современные проблемы науки и образования. 2007. № 6. С. 105–108.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp