Гипсоцементно-пуццолановые бетоны для аддитивного строительного производства

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.

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/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/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