Гипсоцементно-пуццолановые бетоны для аддитивного строительного производства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Аддитивное строительное производство (3D-печать), осуществляемое бетонными и растворными смесями на основе минеральных вяжущих, в том числе смешанных, является одним из перспективных способов изготовления строительных изделий, конструкций, возведения зданий и сооружений. Анализ современного состояния исследований в области разработки композиционных материалов на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего для строительной 3D-печати свидетельствует об ограниченности его применения ввиду коротких сроков схватывания гипса, а также низких показателей водостойкости и пределов прочности изделий на его основе, что свидетельствует об актуальности изучения, направленного на разработку стабильных составов гипсоцементно-пуццолановых бетонов (ГЦПБ) для 3D-печати, обладающих высокими физико-техническими и оптимальными реотехнологическими характеристиками.Материалы и методы. Изготовление образцов осуществлялось на строительном 3D-принтере АМТ S-6044 производства ООО «СПЕЦАВИА». Применены стандартные методики исследования реологических свойств смесей и физико-технических свойств бетонов.Результаты. Научно обоснован и экспериментально определен состав ГЦПБ в технологии аддитивного производства. Обоснована рациональность применения в технологии аддитивного производства бетонов с соотношением вяжущее:заполнитель = 1:2 при модуле крупности песка Мк 3, обеспечивающим следующие характеристики контрольного состава бетона: предел прочности при сжатии 22,1 МПа, при изгибе — 4,9 МПа, средняя плотность — 1892 кг/м3, формоустойчивость — 16 см, предельное напряжение сдвига — 58,5 Па. Изучены особенности структурообразования и ряд недостатков микроструктуры разработанного ГЦПБ, сформованного методом аддитивного производства.Выводы. Разработаны ГЦПБ для аддитивного строительного производства методом послойной экструзии с оптимальным соотношением компонентов в составе вяжущего. Показана перспективность дальнейшего совершенствования составов ГЦПБ путем их модифицирования полифункциональными комплексными добавками.

Об авторах

Р. З. Рахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ)

Email: rahimov11@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-4251-1605

Р. Х. Мухаметрахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ)

Email: muhametrahimov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2062-5289

А. Р. Галаутдинов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ)

Email: galautdinov89@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9999-6925

Л. В. Зиганшина

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ)

Email: lilya0503199@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0090-2410
SPIN-код: 6496-7055

Список литературы

  1. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История науки и техники : учебное пособие. СПб. : Лань, 2022. 528 с.
  2. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История композиционных минеральных вяжущих веществ : учебное пособие. СПб. : Лань, 2023. 268 с.
  3. Хакимов Ф.М. Бетон на гипсоангидридовом цементе // Труды Казанского института коммунального строительства. 1936.
  4. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И. Состояние и тенденции развития промышленности гипсовых строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 44–46. EDN NQTZQF.
  5. Алтыкис М.Г., Рахимов Р.З. Гипс. Строительные материалы и изделия : учебное пособие. Казань : КИСИ, 1994. 107 с.
  6. Khaliullin M., Rakhimov R., Faizrakhmanov I. The influence of thermally activated clay additives on the properties of composite gypsum binder // ZKG International. 2017. Vol. 70. Issue 5. Pp. 58–63. EDN XNKKCU.
  7. Chen Y., Figueiredo S.C., Li Z., Chang Z., Jansen K., Çopuroğlu O. et al. Improving printability of limestone-calcined clay-based cementitious materials by using viscosity-modifying admixture // Cement and Concrete Research. 2020. Vol. 132. P. 106040. doi: 10.1016/j.cemconres.2020.106040
  8. Muthukrishnan S., Ramakrishnan S., Sanjayan J. Effect of microwave heating on interlayer bonding and buildability of geopolymer 3D concrete printing // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 265. P. 120786. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120786
  9. Chen Y., Jansen K., Zhang H., Rodriguez C.R., Gan Y., Çopuroğlu O. et al. Effect of printing parameters on interlayer bond strength of 3D printed limestone-calcined clay-based cementitious materials: An experimental and numerical study // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 262. P. 120094. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120094
  10. Ma G., Salman N.M., Wang L., Wang F. A no-vel additive mortar leveraging internal curing for enhancing interlayer bonding of cementitious composite for 3D printing // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 244. P. 118305. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118305
  11. Liu J., Li S., Gunasekara C., Fox K., Tran P. 3D-printed concrete with recycled glass: Effect of glass gradation on flexural strength and microstructure // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 314. P. 125561. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125561
  12. Van den Heever M., Bester F., Kruger J., van Zijl G. Numerical modelling strategies for reinforced 3D concrete printed elements // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 50. P. 102569. doi: 10.1016/j.addma.2021.102569
  13. Weng Y., Li M., Zhang D., Tan M.J., Qian S. Investigation of interlayer adhesion of 3D printable cementitious material from the aspect of printing process // Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 143. P. 106386. doi: 10.1016/j.cemconres.2021.106386
  14. Baduge S.K., Navaratnam S., Abu-Zidan Y., McCormack T., Nguyen K., Mendis P. et al. Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods // Structures. 2021. Vol. 29. Pp. 1597–1609. doi: 10.1016/j.istruc.2020.12.061
  15. Lu B., Li M., Wong T.N., Qian S. Effect of printing parameters on material distribution in spray-based 3D concrete printing (S-3DCP) // Automation in Construction. 2021. Vol. 124. P. 103570. doi: 10.1016/j.autcon.2021.103570
  16. Salman N.M., Ma G., Ijaz N., Wang L. Importance and potential of cellulosic materials and derivatives in extrusion-based 3D concrete printing (3DCP): Prospects and challenges // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 291. P. 123281. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123281
  17. Shakor P., Nejadi S., Paul G., Sanjayan J. Dimensional accuracy, flowability, wettability, and porosity in inkjet 3DP for gypsum and cement mortar materials // Automation in Construction. 2020. Vol. 110. P. 102964. doi: 10.1016/j.autcon.2019.102964
  18. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges // Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 143. Pp. 172–196. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012
  19. Ma X., Tan L., Lu Y., Yao W., Wei Y. Upcycling of waste plasterboard for the synthesis of high-quality gypsum-based 3D printing powder // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 373. P. 130846. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130846
  20. Ma B., Jiang Q., Huang J., Wang X., Leng J. Effect of different silica particles on flowability of gypsum powder for 3D powder printing // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 217. Pp. 394–402. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.097
  21. Dantas A.C.S., Scalabrin D.H., De Farias R., Barbosa A.A., Ferraz A.V., Wirth C. Design of highly porous hydroxyapatite scaffolds by conversion of 3d printed gypsum structures – a comparison study // Procedia CIRP. 2016. Vol. 49. Pp. 55–60. doi: 10.1016/j.procir.2015.07.030
  22. Chernyisheva N.V., Shatalova S.V., Drebezgova M.Yu., Lesnichenko E.N. Thermal insulating and constructive foamed concrete on a composite gypsum binder // Materials Science Forum. 2019. Vol. 974. Pp. 125–130. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/msf.974.125' target='_blank'>www.scientific.net/msf.974.125
  23. 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. doi: 10.31659/0585-430X-2022-805-8-23-30. EDN WSXKNG.
  24. Чернышева Н.В., Шаталова С.В., Масалитина С.В. Композиционные гипсовые вяжущие для поризованных композитов в технологии строительной печати // Университетская наука. 2021. № 1 (11). С. 91–94. EDN ZSAQTD.
  25. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Шеремет А.А. Разработка комплексного решения для 3D-печати стеновых конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2022. № 10. С. 8–19. doi: 10.34031/2071-7318-2022-7-10-8-19. EDN NMUSWL.
  26. Будников П.П. Гипс, его исследование и применение. М. ; Л. : Гос. изд-во строит. лит., 1943. 372 с.
  27. Юнг В.Н., Бутт Ю.М., Журавлев В.Ф., Окороков С.Д. Технология вяжущих веществ : учебник. М. : Гос. изд-во лит. по строит. материалам, 1952. 600 с.
  28. Ребиндер П.А. Физико-химические исследования процессов деформации твердых тел // Сборник АН СССР. 1947. Т. 1. С. 84–88.
  29. Волженский А.В., Иванникова Р.В. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие вещества // Строительные материалы, изделия и конструкции. 1955. № 4. С. 13–16.
  30. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия. М. : Стройиздат, 1971. 318 с.
  31. Волженский А.В., Коган Г.С., Краснослободская З.С. Влияние активного кремнезема на процессы взаимодействия алюминатных составляющих портландцементного клинкера с гипсом // Строительные материалы. 1963. № 1. С. 31–34.
  32. Волженский А.В., Коган Г.С., Арбузов Н.Т. Гипсобетонные панели для перегородок и внутренней облицовки наружных стен. М. : Промстройиздат, 1955. 186 с.
  33. Ферронская А.В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций. М. : Стройиздат, 1984. 253 с.
  34. Сегодник Д.Н., Потапова Е.Н. Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее с активной минеральной добавкой метакаолин // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. № 8 (157). С. 77–79. EDN STFXJF.
  35. Волженский А.В., Роговой М.И., Стамбулко В.И. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие изделия. М. : Госстройиздат, 1960. 168 с.
  36. Булычев Г.Г. Смешанные гипсы: производство и применение в строительстве. М. : Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. 135 с.
  37. Сагдатуллин Д.Г., Морозова Н.Н., Хозин В.Г., Власов В.В. Высокопрочное гипсоцементно-цеолитовое вяжущее // Строительные материалы. 2010. № 2. С. 53–55. EDN MBCHZR.
  38. Сагдатуллин Д.Г., Морозова Н.Н., Хозин В.Г., Ильичева О.М. Деформации высокопрочного композиционного гипсового вяжущего при твердении // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2010. № 15 (191). С. 51–53. EDN MNJOMJ.
  39. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение) : справочник. М. : Изд-во АСВ, 2004. 485 с.
  40. Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Глаголев Е.С., Шаталова С.В., Стариков М.С. Формирование свойств композиций для строительной печати // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 6–14. doi: 10.12737/article_59cd0c57ede8c1.83340178. EDN ZOWEOF.
  41. Шорстова Е.С., Клюев А.В., Клюев С.В., Гарькина И.А. Тонкомолотый отсев дробления кварцитопесчаника в фибробетонной смеси для 3D-печати // Региональная архитектура и строительство. 2023. № 3 (56). С. 69–76. doi: 10.54734/20722958_2023_3_69. EDN MBGPIP.
  42. Славчева Г.С., Ибряева А.И. Влияние концентрации и гранулометрии наполнителей на реологические свойства цементных систем // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Строительство. Электротехника и химические технологии. 2019. № 2 (2). С. 29–36. EDN SHMTRK.
  43. 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. 32. № 2 (198). С. 164–166. EDN VMNBEG.
  44. Potapova E., Guseva T., Shchelchkov K., Fischer H.B. Mortar for 3D Printing Based on Gypsum Binders // Materials Science Forum. 2021. Vol. 1037. Pp. 26–31. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/msf.1037.26' target='_blank'>www.scientific.net/msf.1037.26
  45. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны. М. : Из-во АСВ, 2006. 368 с. EDN QNMNZZ.
  46. Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Механоактивированное гипсоцементно-пуццолановое вяжущее на основе модифицированного низко-марочного сырья // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. № 1 (43). С. 187–195. EDN XNGJFB.
  47. 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. 37–49. doi: 10.52409/20731523_2021_2_37. EDN DXDYSR.
  48. Mukhametrakhimov R.K., Lukmanova L.V. Influence of cement-sand mortar mobility on the quality of 3D printed hardened composite // Construction of Unique Buildings and Structures. 2021. Vol. 94. P. 9404. doi: 10.4123/CUBS.94.4

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».