Применение цеолита в многокомпонентных мелкозернистых бетонах для строительной 3D-печати

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. 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. 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. 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.

1. Hadbaatar 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.2016.07.111

2. Tak 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.2023.04.205

3. Du 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.2020.120152

4. Канесса Э., Фонда К., Зеннаро Г. Доступная 3D-печать для науки, образования и устойчивого развития. Международный центр теоретической физики Абдус Салам, 2013. 192 с.

5. 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.

6. 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.2019.02.185

7. Khan 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.2021.127027

8. Муминов С.З. Исследования в области термодинамики и термохимии адсорбции на глинистых минералах. Ташкент : Фан, 1987. 144 с.

9. Васильянова Л.С., Лазарева Е.А. Цеолиты в экологии // Новости науки Казахстана. 2016. № 1 (127). С. 61–85. EDN XUOOGT.

10. Тотурбиев Б.Д. Природные цеолиты — эффективные минералы для изготовления строительных материалов // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2012. № 58. С. 47–51.

11. Красный Л.И., Морозов А.Ф., Петров О.В. Геология и полезные ископаемые России. СПб., 2000. Т. 1. 552 с.

12. Побережный С.К., Комовников Б.К. Доклад об экологической обстановке в Калининградской области в 2012 году. Калининград, 2013. 204 с.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.2022.01.352

17. Zheng 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.2021.123062

18. Dabbaghi 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.2021.09.025

19. Das 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.2021.09.005

20. Sai 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.2021.01.682

21. Madhuri 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.2021.06.089

22. Erfanimanesh 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.2020.101781

23. Najimi 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.2012.04.038

24. Макаров 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.

25. Ланкин С.В. Особенности прочности бетона, наполненного цеолитами // Проблемы экологии Верхнего Приамурья. 2014. Т. 16. С. 10–17. EDN SYQQKP.

26. Моргун А.Н. Морозостойкость бетона, способы ее повышения // Наука, техника и образование. 2015. № 7 (13). С. 101-105.

27. 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.2020.119296

28. Kashani A., Ngo T. Production and placement of self-compacting concrete // Self-Compacting Concrete: Materials, Properties and Applications. 2020. Pp. 65–81. DOI: 10.1016/b978-0-12-817369-5.00003-9

29. Sharanova A., Dmitrieva M. Selection of compositions for additive technologies in construction // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 06018. DOI: 10.1051/e3sconf/20199706018

30. Lootens 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.2009.01.012

31. Адамцевич 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.

32. 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/347/1/012014

33. Linderoth 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.2020.106344