Способ 3D-печати модифицированной бетонной смесью
METHOD OF 3D PRINTING USING MODIFIED CONCRETE MIX

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений.
Известен способ возведения бетонной стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом [1]. Недостатками данного изобретения являются невозможность организации длительных технологических перерывов вследствие снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва. Кроме того, высокая трудоемкость выполнения процессов армирования приводит к увеличению продолжительности и стоимости работ.
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является способ возведения монолитного здания, сооружения методом 3D-печати, включающий приготовление бетонной смеси, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и послойную укладку в проектное положение, с позиционированием в тело филамента гибких армирующих элементов в виде витых или плетеных арматурных канатов из полимерных или минеральных волокон для непрерывного и/или дискретного армирования бетонной смеси [2].
Недостатками данного изобретения являются невозможность организации длительных технологических перерывов, потребность которых вызвана необходимостью набора пластической прочности, обеспечением формоустойчивости напечатанных слоев и требуемых геометрических параметров, вследствие чего снижается адгезия слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, что вызывает образование холодных швов и снижает качество готовой продукции. Кроме того, наличие процессов позиционирования в тело филамента гибких армирующих элементов, обуславливает высокую сложность осуществления изобретения.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет повышения адгезии слоев, исключающего образование холодных швов, при одновременном упрощении аддитивного производства за счет исключения сложных технологических операций, связанных с армированием.
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.
2
Поставленная задача достигается тем, что способ 3D-печати модифицированной бетонной смесью, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение, отличается тем, что осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» на основе эфира поликарбоксилата, тонкомолотый пуццолановый компонент - биокремнезем с гидравлической активностью не менее 1400 мг/г, степенью помола не менее 1100 м /кг, кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:
ПортландцементУказанный песокСуперпластификатор «MasterGlenium ACE 430»Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент - биокремнеземКремнийорганическое соединение - метилсиликонат калияВода
20,0-30,044,4-69,80,2-1,22,0-8,00,1-0,87,9-15,9
Для изготовления бетонной смеси для 3D-печати использовали следующие материалы:
3
2
3
4
- портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: СS - 68,1%, СS - 9,4%, СА - 7,2%, СAF - 11%;
- кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 1,2-3 (ГОСТ 8736-2014). Для приготовления образцов использовали песок с модулем крупности 2,3;
- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.
Для изготовления модифицированной бетонной смеси для 3D-печати переходного слоя использовали следующие материалы:
3
3
3
4
- портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: СS - 68,1%, СS - 9,4%, СА - 7,2%, СAF - 11%;
- кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 1,2-3 (ГОСТ 8736-2014). Для приготовления образцов использовали песок с модулем крупности 2,3;
3
- суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата «MasterGlenium ACE 430» производства ООО «BASF Строительные системы», представляющий собой жидкость светло-коричневого цвета плотностью при 20 °C 1,06 г/см, pH - 5,5;
2
2
- тонкомолотый пуццолановый компонент - биокремнезем с гидравлической активностью не менее 1400 мг/г, степенью помола не менее 1100 м/кг (СТО 23998461-020-2018). Для приготовления образцов использовали биокремнезем с гидравлической активностью 1400,5 мг/г, степенью помола 1186 м/кг;
3
- метилсиликонат калия производства ПАО «Химпром», представляющий собой темно-коричневую жидкость плотностью 1,3-1,4 г/см;
- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом:
1. Производят приготовление бетонной смеси для 3D-печати: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты бетонной смеси - портландцемент, песок и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды и добавляют ее к сухим компонентам, осуществляя перемешивание до получения однородной массы.
2. Производят подготовку 3D-принтера: внутреннюю поверхность съемного накопительного бункера смачивают водопроводной питьевой водой или разделительной смазкой.
3. Заполняют накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной бетонной смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата.
4. Осуществляют выдавливание бетонной смеси методом послойной экструзии (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») и ее укладку в проектное положение в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью.
5. Производят приготовление модифицированной бетонной смеси для 3D-печати переходного слоя: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты модифицированной бетонной смеси - портландцемент, песок, тонкомолотый пуццолановый компонент - биокремнезем и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды, суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430», кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия, производят их перемешивание до получения однородного раствора и постепенно добавляют его к тщательно перемешанным сухим компонентам, осуществляя перемешивание смеси до получения однородной массы.
6. Заполняют накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной модифицированной бетонной смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата.
7. Осуществляют выдавливание модифицированной бетонной смеси переходного слоя методом послойной экструзии (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») и ее укладку в проектное положение в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью.
8. Осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с промывкой накопительного бункера строительного 3D-принтера.
9. После завершения технологического перерыва осуществляют формование бетонной смеси методом послойного экструдирования (3D-печати) на строительном 3D-принтере в соответствии с п.п.1-4.
Адгезию напечатанных слоев определяли через 28 суток нормального твердения при помощи измерителя адгезии «ПСО-10МГ4С» методом нормального отрыва стальных дисков (пластин) в соответствии с ГОСТ Р 58277-2018 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний». Образцы для испытаний представляли собой полосы длиной 100 мм шириной 50 мм, напечатанные в два слоя: 1 - бетонная смесь; 2 - модифицированная бетонная смесь (переходной слой).
Также были проведены испытания образцов по прототипу [1].
Составы модифицированных бетонных смесей (переходного слоя) приведены в таблице 1, показатели адгезии слоев при различных продолжительностях технологических перерывов приведены в таблице 2.
Таблица 1
Компоненты
Составы модифицированных бетонных смесей (переходного слоя), мас.%
1
2
3
4
5
6 (прототип)
Портландцемент
20,0
20,0
25,0
30,0
30,0
25,0
Песок
69,63
69,8
56,85
44,4
44,4
61,6
Суперпластификатор - «MasterGlenium ACE 430»
0,05
0,2
0,7
1,2
1,5
Тонкомолотый пуццолановый компонент - биокремнезем
0,5
2
5
8
10
Кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия
0,02
0,1
0,8
0,5
0,6
Вода
9,8
7,9
11,65
15,9
13,5
13,4
Таблица 2
Продолжительность технологического перерыва, мин
Адгезия слоев, МПа
1
2
3
4
5
6 (прототип)
10
0,43
0,53
0,59
0,62
0,55
0,41
360
0,37
0,41
0,47
0,52
0,48
0,34
720
0,26
0,35
0,45
0,48
0,43
0,26
Из приведенных данных следует, что максимальные показатели адгезии напечатанных слоев достигаются при содержании в составе модифицированной бетонной смеси портландцемента - 20,0-30,0% от общей массы композиции, песка - 44,4-69,8%, суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430» - 0,2-1,2%, тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема - 2,0-8,0%,кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия - 0,1-0,8%, воды - 7,9-15,9%. При введении суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430», тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема, кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия, в количестве меньше указанных в таблице 1 (состав 1), наблюдается снижение показателей адгезии по сравнению с заявляемыми пределами. При их введении, в количествах больше указанных в таблице 1 (состав 5), показатели адгезии слоев, напечатанных на 3D-принтере, снижаются.
Способ 3D-печати модифицированной бетонной смесью, согласно предлагаемому изобретению, предоставляет возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.
Применение суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430» позволяет сократить количество воды затворения, улучшить пластичность модифицированной бетонной смеси, повысить ее плотность и величину адгезии затвердевшего композита при когезионном разрушении.
2
Введение тонкомолотового пуццоланового компонента - биокремнезема со степенью помола не менее 1100 м/кг, гидравлической активностью не менее 1400 мг/г позволяет улучшить однородность и связность смеси, повысить адгезионную прочность композитов за счет более плотной упаковки частиц, взаимодействия с портландитом и увеличении количества низкоосновных гидросиликатов кальция.
Применение кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия позволяет замедлить кинетику структурообразования, снизить потери химически несвязанной воды в процессе технологического перерыва.
Совместное применение суперпластификатора - «MasterGlenium ACE 430», тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема, кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия позволяет достичь синергетического эффекта, выражающегося в улучшении пластичности, однородности и связности модифицированной бетонной смеси, повышении ее плотности и прочности, замедлении кинетики структурообразования, снижении потерь химически несвязанной воды в процессе технологического перерыва, что способствует увеличению площади межфазного контакта слоев, напечатанных до и после технологического перерыва с переходным слоем, и приводит к повышению показателя адгезии затвердевших слоев.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить высокое качество строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет повышения адгезии слоев, исключающего образование холодных швов, при одновременном упрощении аддитивного производства за счет исключения сложных технологических операций, связанных с армированием.
Источники информации:
1. Патент, RU 2 725 716, Е04 В 2/84, В33Y 30/00, Способ возведения армированной бетонной стены на 3D-принтере, Мухаметрахимов Р.Х., Лукманова Л.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заяв. 23.12.2019, опубл. 03.07.2020, бюл. №19.
2. Патент, RU 2 683 447, E04C 5/07, C04B 7/52, Способ возведения монолитного здания, сооружения методом 3D-печати и устройство для его осуществления, Джантимиров Х.А., Звездов А.И, Джантимиров П.Х., патентообладатель Акционерное общество «Научно-исследовательский центр «Строительство», заяв. 05.12.2017, опубл. 28.03.2019, бюл. №10.