mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.7.1125-1137mgssuvest-311Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringПрименение цеолита в многокомпонентных мелкозернистых бетонах для строительной 3D-печатиAdding zeolite to multi-component fine-grain concrete used for 3D construction printinghttps://orcid.org/0000-0002-1635-9371КогайА. Д.KogaiA. D.

Алина Дмитриевна Когай — аспирант, ассистент Образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»

236041, г. Калининград, ул. Александра Невского, д. 14

РИНЦ AuthorID: 1091769, Scopus: 58567659200, ResearcherID: ABE-7359-2020

Alina D. Kogai — postgraduate student, assistant of the Educational and Scientific Cluster of “Institute of High Technologies”

14 Alexandr Nevsky st., Kaliningrad, 236041

RSCI AuthorID: 1091769, Scopus: 58567659200, ResearcherID: ABE-7359-2020

ad.kogai@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3798-4969ПузатоваА. В.PuzatovaA. V.

Анастасия Вячеславовна Пузатова — заведующая лабораторией строительных материалов ЦВСО, старший преподаватель Образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»

236041, г. Калининград, ул. Александра Невского, д. 14

РИНЦ AuthorID: 1004740, Scopus: 57935892600, ResearcherID: I-5329-2018

Anastasia V. Puzatova — head of the laboratory of building materials CPCE, senior lecturer of the Educational and Scientific Cluster of “Institute of High Technologies”

14 Alexandr Nevsky st., Kaliningrad, 236041

RSCI AuthorID: 1004740, Scopus: 57935892600, ResearcherID: I-5329-2018

asharanova@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9593-8653ДмитриеваМ. А.DmitrievaM. A.

Мария Александровна Дмитриева — доктор физико-математических наук, профессор Образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»

236041, г. Калининград, ул. Александра Невского, д. 14

РИНЦ AuthorID: 115921, Scopus: 16237921700, ResearcherID: C-7643-2014

Maria A. Dmitrieva — Doctor of Physics and Mathematics, Professor of the Educational and Scientific Cluster of “Institute of High Technologies”

14 Alexandr Nevsky st., Kaliningrad, 236041

RSCI AuthorID: 115921, Scopus: 16237921700, ResearcherID: C-7643-2014

admitrieva@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6140-256XЛейцинВ. Н.LeitsinV. N.

Владимир Нояхович Лейцин — доктор физико-математических наук, профессор Образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»

236041, г. Калининград, ул. Александра Невского, д. 14

РИНЦ AuthorID: 11983, Scopus: 16239305000, ResearcherID: I-9610-2017

Vladimir N. Leitsin — Doctor of Physics and Mathematics, Professor of the Educational and Scientific Cluster of “Institute of High Technologies”

14 Alexandr Nevsky st., Kaliningrad, 236041

RSCI AuthorID: 11983, Scopus: 16239305000, ResearcherID: I-9610-2017

vleitsin@kantiana.ruБалтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта)РоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation20243107202419711251137Copyright © Когай А.Д., Пузатова А.В., Дмитриева М.А., Лейцин В.Н., 20242024Когай А.Д., Пузатова А.В., Дмитриева М.А., Лейцин В.Н.Kogai A.D., Puzatova A.V., Dmitrieva M.A., Leitsin V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/311Введение

Введение. Требования, предъявляемые к материалам для 3D-строительной печати, могут быть обеспечены на стадии проектирования состава мелкозернистого бетона за счет введения модифицирующих компонентов. Природные цеолиты возможно рассматривать как высокоэффективные тонкодисперсные добавки, регулирующие свойства бетонных смесей, которые особо актуальны для отдаленных районов строительства, являющихся месторождениями этого минерального сырья.

Материалы и методы

Материалы и методы. Приведен обзор научной литературы и экспериментальных данных по использованию цеолитов в строительстве в качестве минеральной добавки в бетоны с различной степенью замещения цемента в составе, оптимально отвечающем требованиям строительной 3D-печати. Определены сроки схватывания, густота и динамическое напряжение сдвига для бетонных смесей различных составов, а также плотность и пределы прочности при сжатии и изгибе для затвердевшего бетона. Оценена активность цеолита по результатам прочностных и калориметрических испытаний.

Результаты

Результаты. Наилучшие показатели установлены у образцов с 5–15%-ным содержанием цеолита по массе цемента. Представлена информация по срокам достижения критической густоты бетонной смеси до уровня применимости смеси в 3D-принтере, которая для составов с 5–15%-ным цеолитом сокращается на 1 ч–1 ч 20 мин по сравнению с контрольным составом, причем промежуток времени применимости смеси может быть оптимизирован выбором концентрации цеолита. Начальная густота бетонной смеси, оцененная по глубине погружения пестика прибора Вика, не претерпевала значительных изменений при увеличении дозировки цеолита в составе.

Выводы

Выводы. Цеолит способствует улучшению механических характеристик мелкозернистого бетона и регулированию сроков схватывания в зависимости от выбранной концентрации минерального наполнителя, что позволяет рассматривать его в качестве эффективного компонента бетонов, пригодных для реализации в аддитивных технологиях.

Introduction

Introduction. Requirements, applied to materials used for 3D construction printing, can be met by adding modifiers at the stage of designing fine-grained concrete compositions. Natural zeolites can be considered highly effective finely dispersed additives capable of adjusting properties of concrete mixtures, that are particularly relevant for remote development areas having deposits of this mineral raw material.

Materials and methods

Materials and methods. Research works and experimental data are reviewed to analyze the use of zeolites as a mineral additive in construction. Zeolites can partially, to different extents, replace cement in concrete to optimally meet the requirements of construction 3D printing. The setting time, the density and the dynamic shear stress of various compositions of concrete mixtures, as well as the density, ultimate compressive and bending strength values were determined for mature concrete. Results of strength and calorimetric testing were used to evaluate the activity of zeolite.

Results

Results. The best performance was demonstrated by the specimens with 5–15 % zeolite content by the cement weight. The information is provided about the time it takes for the density of concrete mixture to become critical to ensure its suitability for a 3D printer, which is reduced by 60 to 80 minutes for compositions with the 5–15 % zeolite content compared to the controlling composition, provided that and the mixture suitability period can be optimized by choosing the concentration of zeolite. The initial density of the concrete mixture, evaluated using the Vicat cone penetrometer, did not demonstrate any great changes when the share of zeolite was increased.

Conclusions

Conclusions. Zeolite improves mechanical characteristics of fine-grained concrete and adjusts the setting time depending on the concentration of the mineral filler. Hence, zeolite can be considered as an effective component of concretes suitable for additive technologies.

цеолитминеральная добавкамелкозернистый бетонпрочностьсроки схватыванияизотермическая калориметрияаддитивные технологииzeolitemineral additivefine-grained concretestrengthsetting timeisothermal calorimetryadditive technologiesДанное исследование поддержано из средств программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» БФУ им. И. Канта.This research was funded by the Russian Federal Academic Leadership Program Priority–2030 at the Immanuel Kant Baltic Federal University.ReferencesHadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of ash-slag wastes of electric power plants of Mongolia applied to their utilization in road construction // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 1558–1562. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.111Hadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of ash-slag wastes of electric power plants of Mongolia applied to their utilization in road construction. Procedia Engineering. 2016; 150:1558-1562. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.111Tak S., Gupta P., Kumar A., Sofi A., Yun C.M. Effect of using silica fume as a partial replacement of cement in concrete // Materials Today: Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.205Tak S., Gupta P., Kumar A., Sofi A., Yun C.M. Effect of using silica fume as a partial replacement of cement in concrete. Materials Today: Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.205Du H., Dai Pang S. High-performance concrete incorporating calcined kaolin clay and limestone as cement substitute // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 264. P. 120152. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120152Du H., Dai Pang S. High-performance concrete incorporating calcined kaolin clay and limestone as cement substitute. Construction and Building Materials. 2020; 264:120152. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120152Канесса Э., Фонда К., Зеннаро Г. Доступная 3D-печать для науки, образования и устойчивого развития. Международный центр теоретической физики Абдус Салам, 2013. 192 с.Canessa E., Fonda K., Zennaro G. Accessible 3D printing for science, education and sustainable development. International Center for Theoretical Physics Abdus Salam, 2013; 192. (rus.).Демьяненко О.В., Копаница Н.О., Сорокина Е.А. Влияние добавки термомодифицированного торфа на технологические свойства строительных смесей для 3D-печати // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. Т. 20. № 4. С. 122–134. DOI: 10.31675/1607-1859-2018-20-4-122-134. EDN XWCDCP.Dem’yanenko O.V., Kopanitsa N.O., Sorokina E.A. Performance characteristics of 3D printing construction mixes depending on thermally-modified peat additive. Journal of Construction and Architecture. 2018; 20(4):122-134. DOI: 10.31675/1607-1859-2018-20-4-122-134. EDN XWCDCP. (rus.).Panda B., Bhagath Singh G.V.P., Unluer C., Tan M.J. Synthesis and characterization of one-part geopolymers for extrusion based 3D concrete printing // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 220. Pp. 610–619. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.02.185Panda B., Bhagath Singh G.V.P., Unluer C., Tan M.J. Synthesis and characterization of one-part geopolymers for extrusion based 3D concrete printing. Journal of Cleaner Production. 2019; 220:610-619. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.02.185Khan S.A., Koç M., Al-Ghamdi S.G. Sustainability assessment, potentials and challenges of 3D printed concrete structures : a systematic review for built environmental applications // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 303. P. 127027. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127027Khan S.A., Koç M., Al-Ghamdi S.G. Sustainability assessment, potentials and challenges of 3D printed concrete structures : a systematic review for built environmental applications. Journal of Cleaner Production. 2021; 303:127027. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127027Муминов С.З. Исследования в области термодинамики и термохимии адсорбции на глинистых минералах. Ташкент : Фан, 1987. 144 с.Muminov S.Z. Research in the field of thermodynamics and thermochemistry of adsorption on clay minerals. Tashkent, Fan Publ., 1987; 144. (rus.).Васильянова Л.С., Лазарева Е.А. Цеолиты в экологии // Новости науки Казахстана. 2016. № 1 (127). С. 61–85. EDN XUOOGT.Vasilyanova L.S., Lazareva E.A. Zeolites in ecology. Science News of Kazakhstan. 2016; 1(127):61-85. EDN XUOOGT. (rus.).Тотурбиев Б.Д. Природные цеолиты — эффективные минералы для изготовления строительных материалов // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2012. № 58. С. 47–51.Toturbiev B.D. Natural zeolites — effective minerals for the manufacture of building materials. Proceedings of the Institute of Geology of the Dagestan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2012; 58:47-51. (rus.).Красный Л.И., Морозов А.Ф., Петров О.В. Геология и полезные ископаемые России. СПб., 2000. Т. 1. 552 с.Krasny L.I., Morozov A.F., Petrov O.V. Geology and minerals of Russia. St. Petersburg, 2000; 1:552. (rus.).Побережный С.К., Комовников Б.К. Доклад об экологической обстановке в Калининградской области в 2012 году. Калининград, 2013. 204 с.Poberezhny S.K., Komovnikov B.K. Report on the environmental situation in the Kaliningrad region in 2012. Kaliningrad, 2013; 204. (rus.).Лукьянова Н.В., Богданов Ю.Б., Васильева О.В., Варгин Г.П. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Серия Центрально-Европейская. Лист N-(34). Калининград. Объяснительная записка. СПб. : Картфабрика ВСЕГЕИ, 2011. 226 с.Lukyanova N.V., Bogdanov Yu.B., Vasilyeva O.V., Vargin G.P. State geological map of the Russian Federation. Scale 1:1,000,000 (third generation). Series Central European. Sheet N-(34). St. Petersburg, VSEGEI Mapping Factory, 2011; 226. (rus.).Морозова Н.Н., Кайс Х.А. О роли природного цеолита на прочность мелкозернистого бетона // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. № 10. С. 64–68. EDN VXPEOR.Morozova N.N., Kais H.A. On the role of natural zeolite on the strength of fine-grained concrete. Bulletin of the Technological University. 2016; 19(10):64-68. EDN VXPEOR. (rus.).Потапова Л.И., Кайс Х.А. Защитные свойства бетона с природным цеолитом по отношению к стальной арматуре // Инновационная наука. 2016. № 6–2. С. 132–134. EDN WCFMGR.Potapova L.I., Kais Kh.A. Protective properties of concrete with natural zeolite in relation to steel reinforcement. Innovation Science. 2016; 6-2:132-134. EDN WCFMGR. (rus.).Rahul P., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Durability assessment of Self-Curing high performance concretes containing zeolite admixture // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 60. Pp. 502–507. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.01.352Rahul P., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Durability assessment of Self-Curing high performance concretes containing zeolite admixture. Materials Today: Proceedings. 2022; 60:502-507. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.01.352Zheng X., Zhang J., Ding X., Chu H., Zhang J. Frost resistance of internal curing concrete with calcined natural zeolite particles // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 288. P. 123062. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123062Zheng X., Zhang J., Ding X., Chu H., Zhang J. Frost resistance of internal curing concrete with calcined natural zeolite particles. Construction and Building Materials. 2021; 288:123062. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123062Dabbaghi F., Sadeghi-Nik A., Ali Libre N., Nasrollahpour S. Characterizing fiber reinforced concrete incorporating zeolite and metakaolin as natural pozzolans // Structures. 2021. Vol. 34. Pp. 2617–2627. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.09.025Dabbaghi F., Sadeghi-Nik A., Ali Libre N., Nasrollahpour S. Characterizing fiber reinforced concrete incorporating zeolite and metakaolin as natural pozzolans. Structures. 2021; 34:2617-2627. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.09.025Das M., Adhikary S.K., Rudzionis Z. Effectiveness of fly ash, zeolite, and unburnt rice husk as a substitute of cement in concrete // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 61. Pp. 237–242. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.005Das M., Adhikary S.K., Rudzionis Z. Effectiveness of fly ash, zeolite, and unburnt rice husk as a substitute of cement in concrete. Materials Today: Proceedings. 2022; 61:237-242. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.005Sai Teja G., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Studies on self-curing self-compacting concretes containing zeolite admixture // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 43. Pp. 2355–2360. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.01.682Sai Teja G., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Studies on self-curing self-compacting concretes containing zeolite admixture. Materials Today: Proceedings. 2021; 43:2355-2360. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.01.682Madhuri P.V., Kameswara Rao B., Chaitanya A. Improved performance of concrete incorporated with natural zeolite powder as supplementary cementitious material // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 47. Pp. 5369–5378. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.06.089Madhuri P.V., Kameswara Rao B., Chaitanya A. Improved performance of concrete incorporated with natural zeolite powder as supplementary cementitious material. Materials Today: Proceedings. 2021; 47:5369-5378. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.06.089Erfanimanesh A., Sharbatdar M.K. Mechanical and microstructural characteristics of geopolymer paste, mortar, and concrete containing local zeolite and slag activated by sodium carbonate // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 32. P. 101781. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101781Erfanimanesh A., Sharbatdar M.K. Mechanical and microstructural characteristics of geopolymer paste, mortar, and concrete containing local zeolite and slag activated by sodium carbonate. Journal of Building Engineering. 2020; 32:101781. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101781Najimi M., Sobhani J., Ahmadi B., Shekarchi M. An experimental study on durability properties of concrete containing zeolite as a highly reactive natural pozzolan // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 35. Pp. 1023–1033. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.04.038Najimi M., Sobhani J., Ahmadi B., Shekarchi M. An experimental study on durability properties of concrete containing zeolite as a highly reactive natural pozzolan. Construction and Building Materials. 2012; 35:1023-1033. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.04.038Макаров Ю.А., Терешкин И.П., Лукашина С.В. Возможность использования природных цеолитов в качестве минеральной добавки для бетона // Научный альманах. 2015. № 8 (10). С. 852–855. DOI: 10.17117/na.2015.08.852. EDN ULGTDF.Makarov Yu.A., Tereshkin I.P., Lukashina S.V. Possibility of using natural zeolites as a mineral additive for concrete. Science Almanac. 2015; 8(10):852-855. DOI: 10.17117/na.2015.08.852. EDN ULGTDF. (rus.).Ланкин С.В. Особенности прочности бетона, наполненного цеолитами // Проблемы экологии Верхнего Приамурья. 2014. Т. 16. С. 10–17. EDN SYQQKP.Lankin S.V. Features of the strength of concrete filled with zeolites. Problems of ecology of the Upper Amur region. 2014; 16:10-17. EDN SYQQKP. (rus.).Моргун А.Н. Морозостойкость бетона, способы ее повышения // Наука, техника и образование. 2015. № 7 (13). С. 101-105.Morgun A.N. Frost resistance of concrete, ways to improve it. Science, technology and education. 2015; 7(13):101-105. (rus.).Li J., Wu Z., Shi C., Yuan Q., Zhang Z. Durability of ultra-high performance concrete : a review // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 255. P. 119296. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119296Li J., Wu Z., Shi C., Yuan Q., Zhang Z. Durability of ultra-high performance concrete : a review. Construction and Building Materials. 2020; 255:119296. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119296Kashani A., Ngo T. Production and placement of self-compacting concrete // Self-Compacting Concrete: Materials, Properties and Applications. 2020. Pp. 65–81. DOI: 10.1016/b978-0-12-817369-5.00003-9Kashani A., Ngo T. Production and placement of self-compacting concrete. Self-Compacting Concrete: Materials, Properties and Applications. 2020; 65-81. DOI: 10.1016/b978-0-12-817369-5.00003-9Sharanova A., Dmitrieva M. Selection of compositions for additive technologies in construction // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 06018. DOI: 10.1051/e3sconf/20199706018Sharanova A., Dmitrieva M. Selection of compositions for additive technologies in construction. E3S Web of Conferences. 2019; 97:06018. DOI: 10.1051/e3sconf/20199706018Lootens 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. Issue 5. Pp. 401–408. DOI: 10.1016/j.cemconres.2009.01.012Lootens 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; 39(5):401-408. DOI: 10.1016/j.cemconres.2009.01.012Адамцевич А.О., Пашкевич С.А., Пустовгар А.П. Использование калориметрии для прогнозирования роста прочности цементных систем ускоренного твердения // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 3 (38). С. 36–42. DOI: 10.5862/MCE.38.5. EDN PZETSX.Adamtsevich A.O., Pashkevich S.A., Pustovgar A.P. The use of calorimetry to predict the growth of the strength of accelerated hardening cement systems. Magazine of Civil Engineering. 2013; 3(38):36-42. DOI: 10.5862/MCE.38.5. EDN PZETSX. (rus.).Sharanova A.V., Lenkova D.A., Panfilova A.D. Study of strength kinetics of sand concrete system of accelerated hardening // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 347. P. 012014. DOI: 10.1088/1757-899X/347/1/012014Sharanova A.V., Lenkova D.A., Panfilova A.D. Study of strength kinetics of sand concrete system of accelerated hardening. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 347:012014. DOI: 10.1088/1757-899X/347/1/012014Linderoth O., Wadsö L., Jansen D. Long-term cement hydration studies with isothermal calorimetry // Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 141. P. 106344. DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106344Linderoth O., Wadsö L., Jansen D. Long-term cement hydration studies with isothermal calorimetry. Cement and Concrete Research. 2021; 141:106344. DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106344

The authors declare that there are no conflicts of interest present.