Влияние дозировки и гранулометрии наполнителей на показатели экструдируемости смесей для 3D-печати

Представлены результаты исследований реологического поведения и пластичности смесей для 3D-печати. Обсуждаются результаты влияния вида, дозировки и гранулометрии наполнителей на реологическое поведение смесей, устойчивость их структуры и пластичность при сдавливании. Исследовалось два типа смесей для 3D-печати: «цемент – микронаполнитель – пластификатор – вода», «цемент – мелкий заполнитель – пластификатор – вода». Для исследования реологического поведения и оценки пластичности в экспериментах использовали сдавливающий тест с постоянной скоростью деформирования 5 мм/с. Установлено, что наилучшей способностью к экструзии обладают смеси, отличающиеся вязкопластическим течением при сдавливании без разрушения структуры. Для данных систем преодоление порога устойчивости и начало пластического течения без трещинообразования соответствуют давлению F*~2,5–4 кПа, рациональные значения предела текучести K_i(I) составляют 1,5–3,5 кПа. При применении монодисперсных наполнителей смеси для 3D-печати имеют низкую устойчивость структуры к действию нагрузки, для них характерно необратимое разрушение структуры после преодоления порога устойчивости. Применение полидисперсных наполнителей в размерном диапазоне d=1–630 мм позволяет эффективно регулировать пластичность и устойчивость структуры смесей. Более высокая пластичность и агрегативная устойчивость при действии нагрузки обеспечиваются с применением микронаполнителей аморфной структуры. Смеси для 3D-печати обладают способностью к вязкопластическому течению без разрушения структуры и достаточной структурной прочностью при дозировке микронаполнителей (d=1–55 мм) до 30%, мелких заполнителей (d=150–560 мм) – 100–125% от массы цемента.

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Е.А. БРИТВИНА, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
М.А. ШВЕДОВА, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
П.Ю. ЮРОВ, инженер (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. 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. Material and Structure Constraction. 2012. No. 45 (8), pp. 1221–1232. DOI: 10.1617/s11527-012-9828-z
2. Zhang Y., Zhang Y., She W., Yang L., Liu G., Yang Y. Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing concrete. Constraction and Buildilding Materials. 2019. No. 201, pp. 278–285. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.12.061
3. Jayathilakage R., Rajeev P., Sanjayan J.. Yield stress criteria to assess the buildability of 3D concrete printing. Constraction and Buildilding Materials. 2020. No. 240. 117989. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117989
4. Khan M.A. Mix suitable for concrete 3D printing: A review. Materials Today: Proceedings. 2020. No. 32 (4), pp. 831–837. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.825
5. Mechtcherine V., Bos F.P., Perrot A., da Silva W.R.L., Nerella V.N., Fataei S. et al. Extrusion-based additive manufacturing with cement-based materials – Production steps, processes, and their underlying physics: A review. Cement and Concrete Research. 2020. No. 132. 106037. DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106037
6. Rehman A.U., Kim J.H.. 3D concrete printing: A systematic review of rheology, mix designs, mechanical, microstructural, and durability characteristics. Materials. 2021. No. 14. 3800. DOI: 10.3390/ma14143800
7. Roussel N. Rheological requirements for printable concretes. Cement and Concrete Research. 2018. No. 112, pp. 76–85. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.04.005
8. Hou S., Duan Z., Xiao J., Ye J.. A review of 3D printed concrete: Performance requirements, testing measurements and mix design. Constraction and Buildilding Materials. 2021. No. 273. 121745. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121745
9. Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Фина-шенков E.A. 3D-печать в строительстве. Строи-тельство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 1. С. 27–46.
9. Vatin N., Chumadova L., Goncharov I., Zykova V., Karpenya A., Kim A., Finashenkov E. 3D printing in construction. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017. No. 1, pp. 27–46. (In Russian).
10. Zhang Y., Zhang Y., Liu G., Yang Y., Wu M., Pang B. Fresh properties of a novel 3D printing concrete ink. Constraction and Buildilding Materials. 2018. No. 174, pp. 263–271. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.115
11. Nerella V.N., Näther M., Iqbal A., Butler M., Mechtcherine V. Inline quantification of extrudability of cementitious materials for digital construction. Cement and Concrete Compositon. 2019. No. 95, pp. 260–270. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.09.015
12. Lu B., Weng Y., Li M., Qian Y., Leong K.F., Tan M.J., et al. A systematical review of 3D printable cementitious materials. Constraction and Buildilding Materials. 2019. No. 207, pp. 477–490. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.144
13. Matthäus C., Back D., Weger D., Kränkel T., Scheydt J., Gehlen C. Effect of cement type and limestone powder content on extrudability of lightweight concrete. RILEM Bookseries. 2020. No. 28, pp. 312–322. DOI: 10.1007/978-3-030-49916-7_32
14. Урьев Н.В. Физико-химическая динамика структурированных нанодисперсных систем и нано-дисперсных композиционных материалов. Ч. 1 // Физико-химия поверхности и защита материалов. 2010. Т. 46. № 1. С. 3–23.
14. Uriev N.V. Physico-chemical dynamics of structured nanodispersed systems and nanodispersed composite materials. Part 1. Fizikohimiya poverhnosti i zashita materialov. 2010. No. 46, pp. 3–23. (In Russian).
15. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Реологическое поведение дисперсных систем для строительной 3d-печати: проблема управления и возможности арсенала «нано» // Нанотехнологии в строительстве. 2018. Т. 10. № 3. С. 107–122. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122
15. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. The rheological behavior of disperse systems for 3D printing in constrcution: the problem of control and possibility of «nano» tools application. Nanotehnologii v stroitel’stve. 2018. No. 10 (3), pp. 107–122. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122. (In Russian).
16. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. Rheological behavior and mix design for 3D printable cement paste. Key Engineering Materials. 2019. No. 799, pp. 282–287. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.799.282
17. 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. 2020. No. 972. 012042. DOI: 10.1088/1757-899X/972/1/012042
18. Slavcheva G.S., Artamonova O.V., Shvedova M.A., Britvina E.A. Effect of viscosity modifiers on structure formation in cement systems for construction 3D printing. Inorganic. Materials. 2021. No. 57 (1), pp. 94–100. DOI:  10.1134/S0020168521010143
19. Slavcheva G., Britvina E., Shvedova M. Heat Release during 3d-Printable materials setting and hardening. Material and Science Forum. 2021. No. 1043, pp. 37–42. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1043.37
20. Roussel N., Lanos C. Plastic fluid flow parameters identification using a simple squeezing test. Applied Rheology. 2003. No. 13 (3), pp. 132–341.
21. 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. No. 35 (10), pp. 1891–1899. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.09.007