Реологическое поведение смесей для строительной 3D-печати: экспериментальная оценка эффективности критериальных требований к наполнителям
Автор: Славчева Г.С., Солонина В.А., Разов И.О., Филипенко П.В., Орлов В.С.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Строительное материаловедение
Статья в выпуске: 4 т.16, 2024 года.
Бесплатный доступ
Введение. Для решения задачи проектирования составов смесей для строительных аддитивных технологий в работе представлены результаты экспериментальных исследований реологического поведения и технологических характеристик (пластичности и формоустойчивости) цементных смесей на различных видах наполнителей, отличающихся размерно-геометрическими характеристиками. Методы и материалы. Исследования реологических характеристик цементных смесей проводились методами сдавливающей реометрии. Для оценки пластичности использовался режим нагружения с постоянной скоростью деформирования 5 мм/с, для оценки формоустойчивости режим постоянной нагрузки 5 Н/с. Для оценки характеристик размерно-геометрических частиц цемента и наполнителей использовали метод сканирующей электронной микроскопии (Phenom XL), обработка изображений для определения длины l и ширины b частиц производилась с помощью программного обеспечения «ParticleMetric». Дисперсность и гранулометрический состав наполнителей оценивали на лазерном анализаторе размера частиц «Анализетте 22». Результаты и обсуждения. Установлено, что необходимым условием обеспечения пластичности и устойчивости смесей является создание плотной пространственной упаковки частиц дисперсной фазы. Рациональные для экструзии значения предела пластичности обеспечиваются в том случае, если частицы наполнителя имеют сопоставимый с зернами цемента размер и полифракционную гранулометрию. Характеристики наполнителей не являются определяющими для обеспечения формоустойчивости смесей.
Аддитивные технологии, цементные смеси, наполнители, реология, технологические свойства
Короткий адрес: https://sciup.org/142242417
IDR: 142242417 | DOI: 10.15828/2075-8545-2024-16-4-310-319
Список литературы Реологическое поведение смесей для строительной 3D-печати: экспериментальная оценка эффективности критериальных требований к наполнителям
- 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.2019.02.1441
- Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., et al. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials. methods. applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018; 143:103 – 110.
- Park C., Noh M., Park T. Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures. Cement and Concrete Research. 2005; 35: 842 – 849.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- Kazemian A., Yuan X., Cochran E. et al. Cementitious materials for construction-scale 3D printing: Laboratory testing of fresh printing mixture. Construction and Building Materials. 2017;145: 639–647.
- 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
- 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
- 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.
- Kruglitsky N.N. Essays on physical and chemical mechanics. Naukova Dumka: Kyiv; 1988.
- 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.
- Slavcheva G.S., Razov I.O., Solonina V.A., Panchenko Y.F. Justification of the criteria requirements for fillers in mixtures for 3D construction printing. Nanotechnologies in construction. 2023; 15(4): 310–318. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-4-310-318. – EDN: IFTQOV.
- Slavcheva G.S., Solonina V.A., Panchenko Yu.F., Orlov V.S., Filipenko P.V. Filler type influence on 3d-printable. mixtures fresh properties. Izvestiya vuzov. Stroitel’stvo [News of Higher Educational Institutions. Construction]. 2023; (12): 37–51. (In Russian).
- Slavcheva G.S., Solonina V.A., Panchenko Yu.F., Orlov V.S., Filipenko P.V. Effect of aleuropelite content on fresh and hardened properties of 3D-printable multi-binder composites. Construction of Unique Buildings and Structures. 2023; (109): 10909.
- Toutou Z., Roussel N., Lanos C. The squeezing test: A tool to identify firm cement-based material’s rheological behavior and evaluate their extrusion ability. Cement and Concrete Research. 2005: 35(10): 1891–1899. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.09.007
- 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
