Структура и свойства мелкозернистых бетонов для 3D-печати на основе гипсоцементно-пуццолановых сухих строительных смесей

Журнал: №7-2024
Авторы:

Рахимов Р.З.,
Мухаметрахимов Р.Х.,
Галаутдинов А.Р.,
Зиганшина Л.В.

DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-33-40
УДК: 691.33

 

АннотацияОб авторахСписок литературы
Технология строительной 3D-печати является одним из приоритетных направлений развития строительной отрасли по всему миру. Несмотря на оптимистичные прогнозы роста технологии аддитивного строительного производства в долгосрочной перспективе, существуют различные риски, способные оказывать влияние на темпы данного развития, которые связаны в первую очередь с необходимостью развития нормативной базы, подготовки квалифицированных кадров, создания и совершенствования оборудования и материалов для строительной 3D-печати. Цель работы в исследовании структуры и свойств мелкозернистых бетонов для аддитивного строительного производства (3D-печати) на основе гипсоцементно-пуццолановых сухих строительных смесей (ССС). Формование образцов при проведении экспериментальных исследований осуществлялось методом послойной экструзии на цеховом строительном 3D-принтере «АМТ S-6044». Обоснована рациональность применения в технологии аддитивного производства бетонов с соотношением ГЦПВ:заполнитель = 1:2 при модуле крупности песка Мк=3. Разработан состав гипсоцементно-пуццоланового бетона (ГЦПБ), модифицированный полифункциональной комплексной добавкой (КД), позволяющей повысить прочность при сжатии на 35,3%, водостойкость – на 73% (до 0,85) по сравнению с контрольным немодифицированным составом. Установлено, что модифицирование ГЦПБ разработанной полифункциональной комплексной добавкой приводит к снижению объема открытых капиллярных пор на 20,5%, объема открытых некапиллярных пор – на 66,7%, к увеличению объема условно-закрытых пор – на 28,1%, показателя микропористости – с 0,22 до 0,89. Синергетическое взаимодействие химических добавок в составе КД подтверждается результатами выполненных исследований по определению электрокинетического потенциала на поверхности частиц ГЦПВ и кинетики тепловыделения при его гидратации.
Р.З. РАХИМОВ, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Р.Х. МУХАМЕТРАХИМОВ, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.Р. ГАЛАУТДИНОВ, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Л.В. ЗИГАНШИНА, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

1. Wang L., Ma G., Liu T., Buswell R., Li Z. Interlayer reinforcement of 3D printed concrete by the in-process deposition of U-nails. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 148. 106535.
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106535
2. Bai G., Wang L., Wang F., Ma G. In-process reinforcing method: dual 3D printing procedure for ultra-high performance concrete reinforced cementitious composites. Materials Letters. 2021. Vol. 304. 130594. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130594
3. Ma G., Buswell R., Leal da Silva, W. R., Wang L., Xu J., Jones S. Z. Technology readiness: A global snapshot of 3D concrete printing and the frontiers for development. Cement and Concrete Research. 2022. Vol. 156. 106774. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106774
4. Poluektova V.A. Designing the composition of a cement-based 3d construction printing material. Inorganic Materials: Applied Research. 2020. Vol. 11. No. 5, pp. 1013–1019.
https://doi.org/10.1134/S2075113320050263
5. Demyanenko O., Sorokina E., Kopanitsa N., Sarkisov Y. Mortars for 3D printing. MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 143. 02013.
https://doi.org/10.1051/matecconf/201714302013
6. Molodin V.V., Vasenkov E.V., Timin P.L. Work head for 3d printing of insulated walls from one-stage polystyrene concrete. Materials Science Forum. 2020. Vol. 992, pp. 194–199.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.992.194
7. Мухаметрахимов Р.Х., Лукманова Л.В. Влияние портландцементов с различным минералогическим составом на основные свойства композитов, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати) // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. № 2 (56). С. 37–50.
https://doi.org/10.52409/20731523_2021_2_37
7. Mukhametrakhimov R.Kh., Lukmanova L.V. The influence of Portland cements with different mineralogical composition on the basic properties of composites formed by layer-by-layer extrusion (3D printing). Izvestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2021. No. 2 (56), pp. 37–50. (In Russian). https://doi.org/10.52409/20731523_2021_2_37
8. Mukhametrakhimov R., Lukmanova L. Structure and properties of mortar printed on a 3D printer. Magazine of Civil Engineering. 2021. Vol. 102. No. 2. https://doi.org/10.34910/MCE.102.6
9. Slavcheva G.S. Drying and shrinkage of cement paste for 3D printable concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 481. IV International Conference on Safety Problems of Civil Engineering Critical Infrastructures. 4–5 October 2018, Russian Federation. https://doi.org/10.1088/1757-899X/481/1/012043
10. Королев Е.В., Зыонг Т.К., Иноземцев А.С. Способ обеспечения внутреннего ухода за гидратацией цемента в составах для 3D-печати // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 6. С. 834–846.
https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.6.834-846
10. Korolev E.V., Zyong T.K., Inozemtsev A.S. Method for providing internal hydration care for cement in 3D printing compositions. Vestnik MGSU. 2020. Vol. 15, No. 6, pp. 834–846. (In Russian). https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.6.834-846
11. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. Rheological behavior and mix design for 3D printable cement paste. Key Engineering Materials. 2019. Vol. 799, pp. 282–287. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.799.282
12. Мухаметрахимов Р.Х., Рахимов Р.З., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Модифицированные гипсоцементно-пуццолановые бетоны для 3D-печати // Строительные материалы. 2024. № 1–2. С. 79–89. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-821-1-2-79-89
12. Mukhametrakhimov R.Kh., Rakhimov R.Z., Galautdinov A.R., Ziganshina L.V. Modified gypsum-cement-pozzolan concrete for 3DCP. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2024. No. 1–2, pp. 79–89. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-821-1-2-79-89
13. Рахимов Р.З., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Гипсоцементно-пуццолановые бетоны для аддитивного строительного производства // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 4. С. 580–595. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.4.580-595
13. Rakhimov R.Z., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R., Ziganshina L.V. Gypsum-cement-puzzolanic concrete for 3D CP. Vestnik MGSU. 2024. Iss. 19. No. 4, pp. 580–595. (In Russian). https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.4.580-595
14. Халиуллин М.И., Димиева А.И., Файзрахманов И.И. Влияние добавок механоактивированных минеральных наполнителей на свойства композиционных гипсовых вяжущих // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2019. № 4 (50). С. 386–393.
14. Khaliullin M.I., Dimieva A.I., Faizrakhmanov I.I. The influence of additives of mechanically activated mineral fillers on the properties of composite gypsum binders. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2019. No. 4 (50), pp. 386–393. (In Russian).
15. Алтыкис М.Г, Рахимов Р.З. Гипс. Строительные материалы и изделия. Казань: КИСИ, 1994. 107 с.
15. Altykis M.G., Rakhimov R.Z. Gips. Stroitel’nye materialy i izdeliya [Gypsum. Construction materials and products]. Kazan’: KISI, 1994. 107 p.
16. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И. Состояние и тенденции развития промышленности гипсовых строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 44–46.
16. Rakhimov R.Z., Khaliullin M.I. Status and development trends of the gypsum building materials industry. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12. pp. 44–46. (In Russian).
17. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История композиционных минеральных вяжущих веществ. СПб.: Лань, 2023. 268 с.
17. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya kompozitsionnykh mineral’nykh vyazhushchikh veshchestv [History of composite mineral binders]. SPb: Lan’. 2023. 268 p.
18. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История науки и техники. СПб.: Лань, 2022. 528 с.
18. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya nauki i tekhniki [History of science and technology]. SPb: Lan’. 2022. 528 p.
19. Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Глаголев Е.С., Шаталова С.В., Стариков М.С. Формирование свойств композиций для строительной печати // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. Т. 2. № 10. С. 6–14.
19. Lesovik V.S., Elistratkin M.Yu., Glagolev E.S., Shatalova S.V., Starikov M.S. Formation of properties of compositions for construction printing. Vestnik BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. Vol. 2. No. 10, pp. 6–14. (In Russian).
20. Смирнов Д.С., Белаева К.Р., Хохряков О.В. Исследование свойств мелкозернистых асфальтобетонов, запроектированных разными методами // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № 3 (65). С. 66–76. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_66
20. Smirnov D.S., Belaeva K.R., Khokhryakov O.V. Study of the properties of fine-grained asphalt concrete designed by different methods. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. No. 3 (65), pp. 66–76. (In Russian). DOI: 10.52409/20731523_2023_3_66
21. Беляков А.Ю., Хохряков О.В., Хозин В.Г. Функционализированный минеральный наполнитель – эффективный модификатор цементных бетонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № 3 (65). С. 45–56. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_45
21. Belyakov A.Yu., Khokhryakov O.V., Khozin V.G. Functionalized mineral filler is an effective modifier for cement concrete. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. No. 3 (65), pp. 45–56. (In Russian). https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_45
22. Морозова Н.Н., Гуляков Е.Г. Свойства бетона на цеолитсодержащем вяжущем // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № 2 (64). С. 27–39. DOI: 10.52409/20731523_2023_2_27
22. Morozova N.N., Gulyakov E.G. Properties of concrete with zeolite-containing binder. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. No. 2 (64), pp. 27–39. (In Russian). DOI: 10.52409/20731523_2023_2_27
23. Шорстова Е.С. Базальтофибробетон для 3D-печати на основе композиционного вяжущего: Дис. … канд. техн. наук. Белгород, 2022. 176 с.
23. Shorstova E.S. Basalt fiber reinforced concrete for 3D printing based on a composite binder. Cand. Diss. (Engineering). Belgorod. 2022. 176 p. (In Russian).
24. Славчева Г.С., Ибряева А.И. Влияние концентрации и гранулометрии наполнителей на реологические свойства цементных систем // Вестник Тверского государственного технического университета. Сер.: Строительство. Электротехника и химические технологии. 2019. Т. 2. № 2. С. 29–36.
24. Slavcheva G.S., Ibryaeva A.I. Influence of concentration and granulometry of fillers on the rheological properties of cement systems. Vestnik of Tver State Technical University. Series: Construction. Electrical Engineering and Chemical Technology. 2019. Vol. 2, No. 2, pp. 29–36. (In Russian).
25. Бритвина Е.А., Славчева Г.С. Показатели технологичности цементных смесей для строительной 3D-печати: моделирование и экспериментальные исследования // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2021. Т. 49. № 4. С. 56–65. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-4/56-65
25. Britvina E.A., Slavcheva G.S. Manufacturability indicators of cement mixtures for construction 3D printing: modeling and experimental studies. Vestnik Vestnik of the FEFU Engineering School. 2021. Vol. 49. No. 4, pp. 56–65. (In Russian). https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-4/56-65
26. Торшин А.О., Боровикова С.О., Корчунов И.В., Потапова Е.Н. Разработка строительной смеси для 3D-печати // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 2. № 198. С. 164–166.
26. Torshin A.O., Borovikova S.O., Korchunov I.V., Potapova E.N. Development of a building mixture for 3D printing. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2018. Vol. 2. No. 198, pp. 164–166. (In Russian).
27. Potapova E., Guseva T., Shchelchkov K., Fischer H.B. Mortar for 3D printing based on gypsum binders. Materials Science Forum. 2021. Iss. 1037 (5), pp. 26–31. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.26
28. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Елистраткин М.Ю., Дребезгова М.Ю., Масалитина С.В. Реологические свойства гипсоцементных вяжущих и формовочных смесей на их основе для 3D-аддитивных технологий строительства // Строительные материалы. 2022. № 8. С. 23–30. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-8-23-30
28. Shatalova S.V., Chernysheva N.V., Elistratkin M.Yu., Drebezgova M.Yu., Masalitina S.V. Rheological properties of gypsum cement binders and molding mixtures based on them for 3D additive construction technologies. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 8, pp. 23–30. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-8-23-30
29. Патент РФ 2777886. Модифицированная строительная смесь для 3D-печати / Мухаметрахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Заявл. 30.12.2021. Опубл. 11.08.2022.
29. Patent RF 2777886. Modifitsirovannaya stroitel’naya smes’ dlya 3D-pechati [Modified mortar for 3D printing]. Mukhametrakhimov R.Kh., Ziganshina L.V. Declared 30.12.2021. Published 11.08.2022. (In Russian).
30. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. М.: Стройиздат, 1966. 314 с.
30. Zaporozhets I.D., Okorokov S.D., Pariiskii A.A. Teplovydelenie betona [Heat release of concrete]. Moscow: Stroyizdat. 1966. 314 p.
31. Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспективы // Бетон и железобетон. 1999. Т. 6. С. 6–10.
31. Kaprielov S.S., Batrakov V.G., Sheinfel’d A.V. New generation modified concretes: reality and prospects. Beton i zhelezobeton. 1999. Vol. 6, pp. 6–10. (In Russian).
32. Абрамова А.Ю. Повышение эффективности смесей сухих строительных клеевых на цементном вяжущем. Дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2023. 195 с.
32. Abramova A.Yu. Increasing the efficiency of mixtures of dry construction adhesives based on cement binders. Cand. Diss. (Engineering). Moscow. 2023. 195 p. (In Russian).
33. Шошин Е.А., Иващенко Ю.Г., Широков А.А., Руфимский П.В. Влияние фазовых переходов на электрокинетический потенциал дисперсной фазы цементной пасты // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2014. Т. 1. № 74. С. 108–111.
33. Shoshin E.A., Ivashchenko Yu.G., Shirokov A.A., Rufimskii P.V. The influence of phase transitions on the electrokinetic potential of the dispersed phase of cement paste. Vestnik of the Saratov State Techni-cal University. 2014. Vol. 1. No. 74, pp. 108–111. (In Russian).

Для цитирования: Рахимов Р.З., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Структура и свойства мелкозернистых бетонов для 3D-печати на основе гипсоцементно-пуццолановых сухих строительных смесей // Строительные материалы. 2024. № 7. С. 33–40. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-33-40


Печать   E-mail