Анализ и критериальная оценка реологического поведения смесей для строительной 3D-печати

Произведен анализ теоретических положений классической реологии дисперсных систем применительно к условиям строительной 3D-печати. В результате выявлен полный перечень реологических характеристик смесей, критериальных для эффективного управления их свойствами на всех стадиях процесса. К ним отнесены пределы ползучести и текучести, статическая, пластическая и динамическая вязкость, пластическая прочность смесей; показатели сопротивления разрушению композитов в заданные сроки твердения. Произведена систематизация и анализ современных подходов к оценке реологического поведения дисперсных систем в статических условиях действия сжимающих напряжений, моделирующих поведение систем в процессе 3D-печати. На основании данных подходов обоснована методика экспериментальной оценки реологических характеристик смесей. В результате исследований установлено, что экструдируемость смесей определяется такими их структурно-механическими характеристиками, как оценки пределов ползучести и текучести, критерий эластичности. Их значения предлагается определять при испытаниях вязкопластичных свойств образцов на сдавливание с постоянной скоростью деформирования 5 мм/с, так как при данных условиях моделируется поведение системы в процессе экструзии. Формоустойчивость смесей предложено оценивать при сдавливании образцов с постоянной скоростью нагружения 0,5 Н/с, что отвечает средней скорости возрастания нагрузки при печати строительных объектов. К количественным критериям формоустойчивости отнесены: величина структурной прочности, характеризующей способность системы сопротивляться деформированию, величины пластической прочности и пластических деформаций, отражающих способность системы пластически деформироваться без разрушения.

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
М.А. ШВЕДОВА, инженер-исследователь (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)
Д.С. БАБЕНКО, инженер-исследователь (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)

1. Roussel N. Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes. Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Iss. 9, pp. 1656–1664.
2. Ovarlez G., Roussel N. A physical model for the prediction of lateral stress exerted by self-compacting concrete on formwork. Materials and Structures. 2006. No Vol. 39. Iss. 286, pp. 269–279. https://doi.org/10.1617/s11527-005-9052-1
3. Roussel N. A thixotropy model for fresh fluid concretes: Theory, validation and applications. Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. Iss. 10, pp. 1797–1806.
4. Mahaut F., Mokéddem S., Chateau X., Roussel N., Ovarlez G. Effect of coarse particle volume fraction on the yield stress and thixotropy of cementitious materials. Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38. Iss. 11, pp. 1276–1285.
5. Lootens D., Jousset P., Martinie L., Roussel N., Flatt R.J. Yield stress during setting of cement pastes from penetration tests. Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39. Iss. 5, pp. 401–408.
6. 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. Vol. 45. Iss. 8, pp. 1221–1232.
7. Roussel N. Simulation of fresh concrete flow. Springer: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 222-SCF. 2014. Vol. 15. 147 p.
8. Qian Y., Kawashima S. Distinguishing dynamic and static yield stress of fresh cement mortars through thixotropy. Cement and Concrete Composites. 2018. No. 86, pp. 288–296.
9. Kazemian A. Yuan X., Cochran E., Khoshnevis B. Cementitious materials for construction-scale 3D printing: Laboratory testing of fresh printing mixture. Construction and Building Materials. 2017. No. 145, pp. 639–647.
10. Lecompte T., Perrot A. Non-linear modeling of yield stress increase due to SCC structural build-up at rest. Cement and Concrete Research. 2017. No. 92, pp. 92–97.
11. Ma S., Qian Y., Kawashima S. Experimental and modeling study on the non-linear structural build-up of fresh cement pastes incorporating viscosity modifying admixtures. Cement and Concrete Research. 2018. No. 108, pp. 1–9.
12. Maa G., Li Z.,Wanga L. Printable properties of cementitious material containing copper tailings for extrusion based 3D printing. Construction and Building Materials. 2018. No. 162, pp. 613–627.
13. Wolfs R, Bos F, Salet T. Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: Numerical modelling and experimental testing. Cement and Concrete Research. 2018. No. 106, pp. 103–116.
14. Panda B., Paul S.C., Mohamed N.A.N., Tay Y.W.D., Tan M.J. Measurement of tensile bond strength of 3D printed geopolymer mortar. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. 2018. No. 113, pp. 108–116.
15. Panda B., Tan M.J. Experimental study on mix proportion and fresh properties of fly ash based geopolymer for 3D concrete printing. Ceramics International. 2018. Vol. 44. Iss. 9, pp. 56–65.
16. 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. Vol. 18. Iss. 1, pp. 311–319.
17. Engmann J., Servais C., Burbidge A.S. Squeeze flow theory and applications to rheometry: A review. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2005. Vol. 132. Iss. 1–3, pp. 1–27.
18. Russel N., Lanos C. Plastic fluid flow parameters identification using a simple squeezing test. Applied Rheology. 2003. Vol. 13. Iss. 3, pp. 3–5.
19. Toutou Z., Roussel N., Lanos C. The squeezing test: A tool to identify firm cement-based material’s rheological behaviour and evaluate their extrusion ability. Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Iss. 10, pp. 1891–1899.
20. Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques. Materials and Structures. 2016. No. 49, pp. 1213–1220.
21. Perrot A., Mélinge Y., Estellé P., Lanos C. Vibro-extrusion: a new forming process for cement-based materials. Advances in Cement Research. 2009. Vol. 21. Iss. 3, pp. 125–133.
22. Perrot A., Rangeard D., Mélinge Y., Estellé P., Lanos C. Extrusion criterion for firm cement – based materials. Applied Rheology. 2009. No. 19, pp. 111–127.
23. Perrot A., Mélinge Y., Rangeard D., Micaelli F., EstelléP., Lanos C. Use of ram extruder as a combined rheo-tribometer to study the behaviour of high yield stress fluids at low strain rate. Rheologica Acta. 2012. Vol. 51. Iss. 8, pp. 743–754.
24. Урьев Н.Б. Физико-химическая динамика структурированных нанодисперсных систем и нанодисперсных композиционных материалов. Часть 1 // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2010. T. 46. № 1. C. 3–23.
24. Uriev N.B. Physicochemical dynamics of structured nanodisperse systems and nanodisperses composite materials: Part I. Fizikohimiya poverhnosti i zashchita materialov. 2010. Vol. 46. No. 1, pp. 3–23. (In Russian).