Разработка состава бетонной смеси с применением наноструктурирующей добавки для 3D-печати малых архитектурных форм

Жегера К.В., Дасаева Н.А. Разработка состава бетонной смеси с применением наноструктурирующей добавки для 3D-печати малых архитектурных форм. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(1):14–22. – EDN: SUJOEH.

В последние годы аддитивные технологии стали важным инструментом в строительстве, в том числе при создании малых архитектурных форм, открывая новые горизонты для проектирования и реализации [1-9]. Для создания малых архитектурных форм применяют строительные смеси на различных видах вяжущего, но наиболее прочными и долговечными считаются изделия, изготовленные на цементном

вяжущем. Строительная 3D-печать с помощью бетонных смесей позволяет создавать сложные и уникальные объекты, не ограничиваясь традиционными методами. Этот подход не только сокращает время строительства, но и значительно снижает материальные затраты.

Разработка составов для бетонных смесей, применяемых в строительной 3D печати, представляет собой увлекательную и перспективную область современных строительных технологий. В зависимо-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ сти от требований проекта, состав бетона должен обеспечивать необходимые механические свойства, скорость затвердевания и устойчивость к внешним воздействиям.

Ключевую роль играет выбор вяжущих компонентов, добавок и заполнителей, которые влияют на текучесть смеси и её адгезию к 3D-принтеру. Важным аспектом является оптимизация рецептуры, чтобы обеспечить равномерность и стабильность потока материала, что критично для выводимых слоев конструкции.

В настоящее время многие исследования сосредоточены на создании модифицирующих добавок, которые улучшают характеристики строительных смесей, а также на разработке оптимальных составов для 3D-печати, применяемой в строительстве. В связи с этим актуальным является процесс подбора компонентов для строительной смеси, предназначенной для 3D-печати небольших архитектурных объектов [10–22].

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

При проведении исследований применялись следующие материалы:

– наноструктурирующая добавка;

– бездобавочный портландцемент 52,5Н;

– добавка для бетона комплексная Sika Antifreeze

N9;

– песок Ухтинского месторождения;

– песок Чаадаевского месторождения;

– суперпластификатор Axton;

– суперпластификатор С-3.

Наноструктурирующая добавка получалась из алюмосиликатного осадка, который высушивался и измельчался до порошка с необходимой удельной поверхностью [23].

Измерение удельной поверхности сыпучих материалов проводилось с помощью прибора ПСХ-9 [24].

Для определения водоудерживающей способности применялась установка, состоящая из пластинки стеклянной толщиной 5 мм и размером (150×150) мм; промокательной бумаги размером (150×150) мм; металлического кольца с толщиной стенки 5 мм, высотой 12 мм и диаметром 100 мм и прокладки из марлевой ткани (250×350) мм [25]. Расчет проводился по формуле:

У = (100 -^^- Юо) ,           (1)

\      т4-т3     / где m1 – масса промокательной бумаги размером (150×150) мм до испытаний, г;

m ₂ – масса промокательной бумаги после испытания, г;

m ₃ – масса установки без растворной смеси, г; m₄ – масса установки с растворной смесью, г.

Кинетика водопоглощения состава определялась по методике, указанной в ГОСТ 5802 [25]. Для этого образцы предварительно высушивались до постоянной массы и помещались в сосуд, наполненный водой t = (20±2) °С. Измерение массы образцов производилось на весах каждый час, результаты фиксировались с точностью ±0,1%. Испытания продолжались до момента, пока разница между двумя последовательными взвешиваниями не превышала 0,1%.

Водопоглощение по массе ( W_m) в процентах определялось по формуле:

W_{m =} т^-т^ . ₁₀₀ ,                  (2)

где m_сух – масса высушенного образца, г; m_вл – масса водонасыщенного образца, г.

Прочность образцов на сжатие (МПа) определялась в соответствии с ГОСТ 5802 [25]. Для определения прочности применялись образцы размером 100×100×100 мм и испытательная машина «ИР 5057-50». Скорость нагрузки на испытуемый образец устанавливалась 10 мм/мин. Расчеты проводились по формуле:

R сж = P / F ,                                   (3)

где P – разрушающая нагрузка, Н;

F – площадь поверхности образца, м².

Капилярная ( П_кап ), контракционная ( П_кон ) и гелевая ( П_гел ) пористости составов рассчитывались в процентах в соответствии с методикой [26] и формулам:

^кап	_ ВЩ-0,5-6 В/Ц+0,32	• 100,	(4)
^кол	0,09 б — В/Ц+0,32	100,	(5)
^гел	0,2-6 ~ В/Ц+0,32	100,	(6)

где В/Ц – водоцементное соотношение.

Гидратация цемента (α) вычислялась по значению связанной химически воды ( W_n ) в исследуемых образцах [26]:

α = 4· W_n .                                        (7)

Открытую пористость ( П_отк ) с учетом естественного объема материала ( V_ест, м³ ) рассчитывали по формуле [26]:

П_0ТК = ^^^ . _J_ . Ю0% ,        (8)

v_ecm 1000

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ где mнас и mнас – масса образца в насыщенном и сухом состоянии соответственно, кг.

Общую пористость ( П_общ ) в процентах рассчитывали по формуле [26]:

„      В/Ц-0,21-6

л - =      -- 100 .                   (9)

00111    В/Ц+0,32                                V

Изменение нормальной густоты и сроков схватывания цементного теста определялось с помощью прибора Вика [27]. В чашу помещался испытуемый раствор, разравнивался, затем пестик прибора Вика доводился до соприкосновения с раствором, фиксировалось начальное значение по шкале устройства и снимался стопорящий механизм. Через 5 мин измерялось конечное значение по шкале прибора. Нормальной густотой раствора считалась разность между начальным и конечным значениями, равная 5–7 мм.

Изменение сроков схватывания состава измерялось прибором Вика при помощи иглы. Раствор помещался в чашу устройства и равномерно распределялся. Игла прибора подводилась к поверхности раствора, и отпускался стопорный механизм. Началом процесса схватывания считался момент, когда игла не доходила до дна чаши на 1–2 мм, а окончанием – момент, когда игла не углублялась в раствор более чем на 1–2 мм.

Межзерновая пустотность мелкого заполнителя в неуплотненном состоянии ( V_{м.п .}) вычислялась [28]:

= (i - M • 100%,            (10)

' Cucm'

где ρ _нас и ρ _ист – насыпная и истинная плотность материала, г/см³;

Истинная плотность (ρ _ист ) определялась по прибору Ле-Шателье [29] и формуле:

с_ист = ( m ₁– m ₂)/ V ,                               (11)

где V – объем исследуемого материала, cм³;

m ₁ – масса материала в стакане, г;

m ₂ – масса стакана с оставшимся материалом, г.

Насыпная плотность (ρ _нас ) определялась по ГОСТ 9758 [30] с помощью формулы:

с нас = m / V ,                                      (12)

где m – масса исследуемого материала, г;

V – объем сосуда, см³.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для оптимизации состава бетонной смеси для 3D принтера необходимо исследовать влияние каждого компонента на систему и определить оптимальное содержание его в рецептуре.

С целью выявления оптимального размера удельной поверхности добавки для применения ее в составе бетонной смеси проведена оценка изменения твердения (рис. 1) и водопоглощения (рис. 2) цементного композита с применением в рецептуре синтезируемой добавки разной дисперсности.

Рис. 1. Набор прочности составов с наноструктурирующей добавкой: 1 – образец без добавки (контрольный); 2 – удельная поверхность добавки S_уд = 1,03 м²/г; 3 –S_уд = 0,69 м²/г; 4 –S_уд = 0,31 м²/г; 5 –S_уд = 0,1 м²/г

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 2. Изменение водопоглощения составов: 1 – контрольный образец; 2 – наномодифицирующая добавка с удельной поверхностью S_уд = 1,03 м²/г; 3 – наномодифицирующая добавка с S_уд = 0,69 м²/г; 4 – наномодифицирующая добавка с S_уд = 0,31 м²/г; 5 – наномодифицирующая добавка с S_уд = 0,1 м²/г.

Анализ рис. 1 показал, что величина удельной поверхности наноструктурирующей добавки оказывает влияние на структурообразование цементных составов. Выявлено, наноструктурирующая добавка с поверхностью Sуд = 1,03м2/г и Sуд = 0,69м2/г в исследуемых составах благоприятно воздействует на увеличение прочности при сжатии на 7% и 17,8%, но увеличение удельной поверхности добавки приводит к снижению прочности на 35% и 31% по сравнению с бездобавочным составом. Таким образом, наномодифицирующая добавка с высоким значением дисперсности способствует созданию благоприятных условий для набора прочности состава с применением цемента.

Анализ данных, представленных на рис. 2, показал, что образцы с добавкой с удельной поверхностью Sуд = 0,69 м2/г по сравнению с образцами с Sуд = 0,1 м2/г на 9,6% обладают меньшим водопоглощени-ем. То есть можно выявить закономерность, что чем больше значение дисперсности добавки, тем ниже водопоглощение исследуемых составов.

Таким образом, для проведения последующих испытаний оптимальный размер поверхности наноструктурирующей добавки составляет Sуд = 1,03 м2/г.

Результаты влияния количества наноструктурирующей добавки в зависимости от массы цемента в цементной системе на время схватывания и нормальную густоту цементного теста приведены в табл. 1.

Установлено, что составы в присутствии наноструктурирующей добавки имеют более высокое значение нормальной густоты цементного теста и сокращение сроков схватывания. При этом увеличение процентного содержания наномодифицирующей добавки в цементном вяжущем ускоряет сроки схватывания составов.

Также наблюдается уменьшение капиллярной пористости на 11–52% и общей пористости на 2–10%, повышение гелевой пористости на 5–23% и контракционной пористости на 4–23% в сравнении с контрольным образцом (без добавки). Таким образом, можно сказать, что введение наноструктурирующей добавки способствует увеличению стойкости состава с применением цемента.

С целью снижения расхода цемента и увеличения подвижности состава смеси вводится мелкий заполнитель – песок. В разрабатываемом составе следует применять песок с наименьшей межзерновой пустотностью. В связи с этим исследовались пески со смешанным зерновым составом (табл. 2). В табл. 2 представлены гранулометрические составы песков Ухтинского и Чаадаевского месторождений.

В табл. 3 приведены значения межзерновой пу-стотности и насыпной плотности исследуемого мелкого заполнителя.

Таким образом, анализ данных табл. 2–3 показал, что для дальнейшей разработки состава строитель-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1. Изменение свойств состава от процентного содержания наноструктурирующей добавки

	Количество наномодифицированной добавки
	–	10%	20%	30%
Нормальная густота цементного теста, %	28	34	41	43
Сроки схватывания	Начало 2ч 30мин Конец 5ч	Начало 50 мин Конец 1ч 40 мин	Начало 40 мин Конец 1ч 30 мин	Начало 20 мин Конец 1ч 15 мин
Общая пористость, %	41,1	40,3	38,3	36,9
Капиллярная пористость, %	18,7	16,7	12	9
Гелевая пористость, %	15,5	16,3	18,1	19,5
Контракционная пористость, %	7,0	7,3	8,2	8,8

Таблица 2. Гранулометрический состав мелкого заполнителя

Содержание фракций, %	Фракция песка, мм
	Больше 2,5	2,5–1,25	1,25–0,63	0,63–0,315	0,315–0,16	Меньше 0,16
Песок Ухтинского месторождения	1,0	2,1	9,8	39,5	44,0	3,8
Песок Чаадаевского месторождения	–	0,3	12,1	58,1	26,6	2,9

Таблица 3. Плотность и межзерновая пустотность мелкого заполнителя

Размер фракций, мм	Чаадаевский песок		Ухтинский песок
	Насыпная плотность, кг/м3	Межзерновая пустотность, %	Насыпная плотность, кг/м3	Межзерновая пустотность, %
0,315–0,16	1418,2	46,5	1460,1	44,9
0,63–0,315	1529,9	42,3	1522,3	42,6
1,25–0,63	1599,3	39,6	1530,3	42,3

Таблица 4. Коэффициент угловатости для песка Ухтинского месторождения

Наименование материала		Sфакт , м2/кг	S , м2/кг т	К уг
Песок без просева		800	776,35	1,03
Песок фракций 0,16 мм – 0,315 мм; 0,315 мм – 0,63 мм; 0,63 мм – 1,25 мм в соотношении 70%:20%:10%		789	750,4	1,05
Песок фракций 0,63–0,315:0,315–0,16 (мм) в соотношении 70%:30%		756	652,3	1,09
Песок фракций 0,63–0,315:0,315–0,16 (мм) в соотношении 75%:25%		720	621,7	1,12
Песок фракций 0,63–0,315:0,315–0,16 (мм) в соотношении 80%:20%		700	582,39	1,20
ной 3D смеси следует применять песок Ухтинского месторождения. Для нахождения оптимального соотношения между тремя основными фракциями песка (0,16 мм – 0,315 мм; 0,315 мм – 0,63 мм; 0,63 мм – 1,25 мм)	оценивалось значение насыпной плотности мелкого заполнителя с применением метода математического описания физической адсорбции (табл. 4). Установлено, что применение песка с соотношением фракций 0,63–0,315:0,315–0,16 (мм) 80% к 20%

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ приводит к увеличению значения коэффициента угловатости (Куг), что способствует прочному сцеплению частиц песка с цементной матрицей.

В процессе подбора состава бетонной смеси для 3D-печати малых архитектурных форм учитывались их технологические свойства. Исследовались четыре состава бетонной смеси для 3D-печати с разным количеством содержания наноструктурирующей добавки, песка, цемента. В табл. 5 представлены основные требования к смесям и результаты проведенных испытаний.

Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что, несмотря на подвижность, составы 3 и 4 нельзя использовать в технологии 3D печати малых архитектурных форм, так как длительная скорость схватывания смеси не дает возможности наносить смесь послойно. Поэтому для проведения дальнейших исследований будут применяться со-

ставы 1 и 2. В дальнейшем в составы будет вводиться пластификатор для повышения подвижности смеси.

ВЫВОДЫ

В результате исследования установлено, что добавление наноструктурирующей добавки в цементные составы увеличивает их плотность, сокращает сроки схватывания и снижает капиллярную пористость. Для оптимизации состава строительной 3D смеси рекомендовано использовать песок Ухтинского месторождения с соотношением фракций 0,63– 0,315:0,315–0,16(мм) 80%:20%, что обеспечивает лучшую подвижность и сцепление с цементом. Составы с длительными сроками схватывания не подходят для строительной 3D печати, поэтому дальнейшие исследования будут направлены на сокращение сроков схватывания составов и повышения их подвижности.

Таблица 5. Технические требования к раствору бетонной смеси для 3D-печати

Требования	Значение показателя	Состав 1	Состав 2	Состав 3	Состав 4
Подвижность, мм	не более 7	4,4	3,8	6,7	5,4
Расслаиваемость, %	не более 10	2,5	1,9	7,8	8,8
Водоудерживающая способность	не менее 97	97,72	98,86	96,92	9,25
Пластическая прочность, Па	не менее 80	81,3	86,9	31,1	75,8
Скорость схватывания смеси, мин	не более 20 мин после экструзии	Начало 12 мин, конец – 30 мин	Начало 15 мин, конец – 20 мин	Начало 20 мин, конец – 67 мин	Начало 45 мин, конец – 90 мин