Влияние подвижности цементно-песчаного раствора на качество 3D печатного затвердевшего композита

Автор: Мухаметрахимов Рустем Ханифович, Лукманова Лилия Валиевна

Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy

Статья в выпуске: 1 (94), 2021 года.

Бесплатный доступ

Вступление. Основным требованием к формуемости при 3D-печати бетона (3DCP), в отличие от классической технологии изготовления бетона, является стабильность размеров свежеуложенных слоев. Стабильность размеров выражается в сохранении геометрических размеров формованного элемента, прочности, однородности и положения в пространстве под воздействием технологических и эксплуатационных факторов и определяет качество строительной продукции. Изучено влияние подвижности немодифицированного цементно-песчаного раствора на качество 3D-печати упрочненных композитов на их основе. Материалы и методы. Подвижность миномета определялась по ГОСТ 5802-86. Образцы формовали методом послойной экструзии на строительном 3D-принтере «АМТ С-6044» (ООО «СПЕЦАВИА», Ярославль, Россия). Определение дефектов цементно-песчаной растворной смеси и затвердевших композитов проводилось визуально-инструментальным методом. Кинетику структуры растворной смеси определяли согласно ASTM C403 с использованием карманного пенетрометра C194. Полученные результаты. Выявлено, что 3D-печать на исследуемом 3D-принтере возможна на цементно-песчаных растворах классов подвижности от Pk 2 до Pk 4; Однако товары имеют дефекты и повреждения, их внешний вид и характер сильно различаются. Подвижность строительного раствора, напечатанного на 3D-принтере, существенно влияет на кинетику структуры и отклонение геометрических параметров. Показана целесообразность использования пенетрометрического метода при исследовании формирования пластической прочности напечатанной смеси как при коагуляции, так и в начальный период кристаллизации, что эффективно для прогнозирования способности смеси удерживать сформированные слои без деформируя предыдущие. Установлено, что не существует оптимальных составов цементно-песчаной растворной смеси с определенным классом подвижности, одновременно удовлетворяющей всем требованиям рассматриваемых показателей качества затвердевших композитов. Выводы. Показана необходимость применения такого подхода к модификации составов сырьевых смесей для 3D-печати бетона, при котором, в первую очередь, будут достигнуты их оптимальные реологические и технологические свойства, обеспечивающие повышение качества формованных композитов.

Еще

Бетон, цемент, строительные растворы, 3d печать, 3dcp, экструзия, аддитивное производство, мобильность, реология

Короткий адрес: https://sciup.org/143175782

IDR: 143175782 | DOI: 10.4123/CUBS.94.4

Список литературы Влияние подвижности цементно-песчаного раствора на качество 3D печатного затвердевшего композита

Lubin, P., Zakrevskaya, L. Soil-concrete for use in the 3D printers in the construction of buildings and structures. MATEC Web of Conferences. 2018. 245. DOI:10.1051/matecconf/201824503002.
Bazhenov, Y.M. Tekhnologiya betona [Concrete technology]. Moscow, Vysshaya shkola, 2002. 500 p. (rus)
Yakupov, M.I., Morozov, N.M., Borovskikh, Ye.V., Khozin, V.G. Modifitsirovannyy melkozernistyy beton dlya vozvedeniya monolitnykh pokrytiy vzletno-posadochnykh polos aerodromov [Modified fine-grained concrete for the construction of monolithic coatings for runways of airfields]. News of the KSUAE. 2013. 4(26). Pp. 257–261. (rus)
Slavcheva, G. S., Artamonova, O. V. Rheological behavior of 3D printable cement paste: criterial evaluation. Инженерно-строительный журнал. 2018. 8(84). Pp. 97–108. DOI:10.18720/MCE.84.10.
Makarenko, S.V., Lozovskiy, B.M., Khozryakov, O.V., Khozin, V.G. Vliyaniye aktivnykh putstsolanovykh napolniteley na svoystva melkozernistogo tsementnogo betona [Influence of active pozzolanic fillers on the properties of fine-grained cement concrete]. News of the KSUAE. 2020. 3(53). Pp. 39–46. (rus)
Vatin, N. I., Chumadova, L. I., Goncharov, I.S., Zykova, V.V., Karpenya, A.N., Kim, A.A., Finashenkov E.A. 3D-pechat' v stroitel'stve [3D printing in construction]. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017. 1(52). Pp. 27–46. DOI:10.18720/CUBS.52.3. (rus)
Mukhametrakhimov, R.K., Vakhitov, I.M. Additivnaya tekhnologiya vozvedeniya zdaniy i sooruzheniy s primeneniyem stroitel'nogo 3D-printera [Additive technology for the construction of buildings and structures using a construction 3D printer]. News of the KSUAE. 2017. 4(42). Pp. 350–359. (rus)
Hwang, D., Khoshnevis, B., Epstein, D.J. Concrete wall fabrication by contour crafting. 21st International Symposium on Automation and Robotics in Construction. 2014.
Marchment, T., Sanjayan, J. Mesh reinforcing method for 3D Concrete Printing. Automation in Construction. 2020. 109(June 2019). Pp. 102992. DOI:10.1016/j.autcon.2019.102992.
Elistratkin, M.Y., Lesovik, V.S., Alfimova, N.I., Shurakov, I.M. On the question of mix composition selection for construction 3D printing. Materials Science Forum. 2018. 945. Pp. 218–225. DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.945.218.
Buswell, R.A., Leal de Silva, W.R., Jones, S.Z., Dirrenberger, J. 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research. 2018. 112. Pp. 37–49. DOI:10.1016/j.cemconres.2018.05.006.
Marchment, T., Sanjayan, J., Xia, M. Method of enhancing interlayer bond strength in construction scale 3D printing with mortar by effective bond area amplification. Materials and Design. 2019. (169). Pp. 107684. DOI:10.1016/j.matdes.2019.107684.
Le T.T., Austin S.A., L.S. et al. Hardened properties of high-performance printing concrete. Cement and Concrete Research. 2012. 42(3). Pp. 558–566. DOI:10.1016/j.cemconres.2011.12.003.
Mukhametrakhimov, R.K., Gorbunova, P.S. Rol' dispersnogo armirovaniya v formirovanii tekhnologicheskikh svoystv i reologicheskikh svoystv betonnykh smesey dlya stroitel'noy 3D-pechati [The role of dispersed reinforcement in the formation of technological properties and rheological properties of concrete mixtures for construction 3D printing]. Aktual'nyye problemy i perspektivy razvitiya stroitel'nogo kompleksa. 2019. Pp. 270–274. (rus)
Soltan, D.G., Li, V.C. A self-reinforced cementitious composite for building-scale 3D printing. Cement and Concrete Composites. 2018. 90(March). Pp. 1–13. DOI:10.1016/j.cemconcomp.2018.03.017.
Pshtiwan, S., Shami, N., Gavin, P. A Study into the Effect of Different Nozzles Shapes and Fibre-Reinforcement in 3D Printed Mortar. Materials. 2019. 12(10). DOI:10.3390/ma12101708.
Slavcheva, G.S. Drying and shrinkage of cement paste for 3D printable concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. 481(1). DOI:10.1088/1757-899X/481/1/012043.
Slavcheva, G.S., Artamonova, O.V. Rheological Behavior and Mix Design for 3D Printable Cement Paste. Key Engineering Materials. 2019. 799. Pp. 282–287. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.799.282.
Kruger, P.J. Rheo-mechanics modelling of 3D concrete printing constructability. (December). Stellenbosch University, 2019.
Mukhametrakhimov, R.K., Lukmanova, L.V. Normativnoye regulirovaniye additivnykh tekhnologicheskikh protsessov v stroitel'stve [Normative regulation of additive technological processes in construction]// Resursoenergoeffektivnyye tekhnologii v stroitel'nom komplekse regiona . 2019. 11. Pp. 282–286. (rus)
Kruger, J., Zeranka, S., van Zijl, G. 3D concrete printing: A lower bound analytical model for buildability performance quantification. Automation in Construction. 2019. 106(February). Pp. 102904. DOI:10.1016/j.autcon.2019.102904.
Mukhametrakhimov, R., Lukmanova, L. Influence of the technological properties of cement-sand mortar on the quality of 3D printed products. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. 890. Pp. 012082. DOI:10.1088/1757-899x/890/1/012082.
Albar, A., Chougan, M., Al- Kheetan, M.J., Swash, M.R., Ghaffar, S.H. Effective extrusion-based 3D printing system design for cementitious-based materials. Results in Engineering. 2020. 6(April). DOI:10.1016/j.rineng.2020.100135.
He, L., Chow, W.T., Li, H. Effects of interlayer notch and shear stress on interlayer strength of 3D printed cement paste. Additive Manufacturing. 2020. 36. Pp. 101390. DOI:10.1016/j.addma.2020.101390.
Xu, J., Buswell, R.A., Kinnell, P., Biro, I., Hodgson, J., Konstantinidis, N., Ding, L. Inspecting manufacturing precision of 3D printed concrete parts based on geometric dimensioning and tolerancing. Automation in Construction. 2020. 117(April). Pp. 103233. DOI:10.1016/j.autcon.2020.103233.
Barabanshchikov, Y., Fedorenko, I., Kostyrya, S., Usanova, K. Cold-Bonded Fly Ash Lightweight Aggregate Concretes with Low Thermal Transmittance: Review. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. 983. Pp. 858–866. DOI:10.1007/978-3-030-19868-8_84.
Chen, M., Liu, B., Li, L., Cao, L., Huang, Y., Wang, S., Zhao, P., Lu, L., Cheng, X. Rheological parameters, thixotropy and creep of 3D-printed calcium sulfoaluminate cement composites modified by bentonite. Composites Part B: Engineering. 2020. 186. Pp. 107821. DOI:10.1016/j.compositesb.2020.107821.
Chen, M., Yang, L., Zheng, Y., Huang, Y., Li, L., Zhao, P., Wang, S., Lu, L., Cheng, X. Yield stress and thixotropy control of 3D-printed calcium sulfoaluminate cement composites with metakaolin related to structural build-up. Construction and Building Materials. 2020. 252. Pp. 119090. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.119090.
Chen, M., Li, L., Wang, J., Huang, Y., Wang, S., Zhao, P., Lu, L., Cheng, X. Rheological parameters and building time of 3D printing sulphoaluminate cement paste modified by retarder and diatomite. Construction and Building Materials. 2020. 234. Pp. 117391. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2019.117391.
Long, W.J., Tao, J.L., Lin, C., Gu, Y. cun, Mei, L., Duan, H.B., Xing, F. Rheology and buildability of sustainable cement-based composites containing micro-crystalline cellulose for 3D-printing. Journal of Cleaner Production. 2019. 239. Pp. 118054. DOI:10.1016/j.jclepro.2019.118054.
Mendoza Reales, O.A., Duda, P., Silva, E.C.C.M., Paiva, M.D.M., Filho, R.D.T. Nanosilica particles as structural buildup agents for 3D printing with Portland cement pastes. Construction and Building Materials. 2019. 219. Pp. 91–100. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2019.05.174.
Korolev, E.V., Thanh Qui Duong, Inozemtcev, A.S. Method of internal care of cement hydration in 3D printing formulations. Vestnik MGSU. 2020. (6). Pp. 834–846. DOI:10.22227/1997-0935.2020.6.834-846. (rus)
Le, T.T., Austin, S.A., Lim, S., Buswell, R.A., Gibb, A.G.F., Thorpe, T. Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete. Materials and Structures. 2012. 45(8). Pp. 1221–1232. DOI:10.1617/s11527-012-9828-z.
Alghamdi, H., Nair, S.A.O., Neithalath, N. Insights into material design, extrusion rheology, and properties of 3D-printable alkali-activated fly ash-based binders. Materials and Design. 2019. 167. Pp. 107634. DOI:10.1016/j.matdes.2019.107634.
Zhu, S., Stieger, M.A., van der Goot, A.J., Schutyser, M.A.I. Extrusion-based 3D printing of food pastes: Correlating rheological properties with printing behaviour. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2019. 58(August). Pp. 102214. DOI:10.1016/j.ifset.2019.102214.
Papachristoforou, M., Mitsopoulos, V., Stefanidou, M. Evaluation of workability parameters in 3D printing concrete. Procedia Structural Integrity. 2018. 10. Pp. 155–162. DOI:10.1016/j.prostr.2018.09.023.
Slavcheva, G.S., Britvina, Y.A., Ibryayeva, A.I. Stroitel'naya 3D-pechat': operativnyy metod kontrolya reologicheskikh kharakteristik smesey [3D-build printing: the operational method for verifying the cement mixture properties]. Vestnik Inzhenernoy shkoly Dal'nevostochnogo federal'nogo universiteta. 2019. 4(41). Pp. 134–143. DOI:10.24866/2227-6858/2019-4-14. (rus)
Subcommittee C09.23. ASTM C403 / C403M - 16 Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistance. 2016. 04.02. Pp. 1–7. DOI:10.1520/C0403_C0403M-16.

Еще

Статья научная