Нашли ошибку на сайте?Сообщите нам:
НОВОСТИ
19.09.23
12.07.23
19.06.23
22.05.23
|
| |
|
Архив выпусков
Выпуск 4 (64), 2021
Состав и свойства смесей декоративного бетона для 3D-печати
Славчева Г. С., Бритвина Е. А., Шведова М. А.
Славчева Г. С., д-р техн. наук, проф. кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций, Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж, e-mail: gslavcheva@yandex.ru Бритвина Е. А., аспирант кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций, Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж, e-mail: esolovieva@vgasu.vrn.ru Шведова М. А., инженер кафедры химии и химической технологии материалов, Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж, e-mail: marishwedowa@mail.ru | | | | | Постановка задачи. Рассмотрение закономерностей влияния вида цемента и модификаторов вязкости на технологические свойства смесей для 3D-печати определяется необходимостью одновременного обеспечения показателей пластичности и формоустойчивости смесей и декоративности композитов на их основе.
Результаты. Представлены результаты экспериментальных исследований основных реологических характеристик декоративного бетона для строительной 3D-печати. Выявлено влияние состава бетона на подвижность и формоустойчивость смеси. Установлено, что вид используемого цемента изменяет пластичность смеси и формоустойчивость под весом вышележащих слоев. Смеси с оптимальным компонентным составом декоративного бетона для строительной 3D-печати имеют следующие реологические характеристики: предел текучести Ki ≅1,0—2,2 кПа, структурная прочность σ0=1,5—4,5 кПа, относительные пластические деформации Δпл=0,03—0,07 мм/мм. Данные характеристики определяют способность смеси к пластическому деформированию без разрушения структуры при течении, а также способность сохранять форму при печати слоя и нагружении вышележащими слоями.
Выводы. Оптимальные диапазоны свойств смесей для 3D-печати могут быть изменены в 2—3 раза за счет использования цементов с различным гранулометрическим составом. Регулирование подвижности и формоустойчивости смесей с различными видами цемента главным образом обеспечивается применяемым модификатором вязкости.
| | | | Ключевые слова: аддитивные технологии, декоративный бетон для 3D-печати, реологические свойства, пластичность смеси, формоустойчивость, предел текучести, структурная прочность, относительные пластические деформации. |
DOI: 10.36622/VSTU.2021.64.4.010
Финансирование: работа выполнена в рамках государственного задания, тема 3.1.1.2 «Плана фундаментальных исследований РААСН и Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации на 2021 г.». Исследования, изложенные в данной работе, проводились с использованием оборудования ЦКП имени проф. Ю. М. Борисова ВГТУ, при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, проект № 075-15-2021-662. | | | Библиографический список 1. Славчева, Г. С. Реологическое поведение дисперсных систем для строительной 3D-печати: проблема управления и возможности арсенала «нано» / Г. С. Славчева, О. В. Артамонова // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. — 2018. — № 10. — С. 107—122.
2. Урьев, Н. Б. Физико-химическая динамика структурированных нанодисперсных систем и нанодисперсных композиционных материалов. Ч. 1 / Н. Б. Урьев // Физикохимия поверхности и защита материалов — 2010. — № 46. — С. 3—23.
3. Benini, H. Concreto Arquitetônico e Decorativo en Concreto / H. Benini; G. C. Isaia (ed.) // Ensino, Pesquisa E Reliazações, IBRACON. — 2007. — P. 1413—1551.
4. Benítez, A. Hormigones arquitectónicos: blancos y coloreados / A. Benítez, H. Bálsamo; E. F. Irassar (ed.) // Hormigones Especiales, AATH. — 2004. — P. 75—90
5. De Schutter, G. Vision of 3D printing with concrete-technical, economic and environmental potentials / De G. Schutter, K. Lesage, V. Mechtcherine, V. N. Nerella, G. Habert & I. Agusti-Juan // Cement and Concrete Research. — 2018. — Vol. 112. — P. 25—36.
6. Fernández Gómez, J. Estructuras de concreto aparente / J. Fernández Gómez // Simposio Internacional sobre Concretos Especiais. — 2000. — P. 1—22.
7. Figueiredo, S. C. Effect of viscosity modifier admixture on portland cement paste hydration and microstructure / S. C. Figueiredo, O. Çopuroğlu, E. Schlangen // Construction and Building Materials. — 2019. — Vol. 212. — P. 818—840. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.020.
8. Hou, S. A review of 3D printed concrete: Performance requirements, testing measurements and mix design / S. Hou, Z. Duan, J. Xiao, J. Ye // Construction and Building Materials. — 2021. — Vol. 273. — P. 121745. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121745.
9. Jayathilakage, R. Yield stress criteria to assess the buildability of 3D concrete printing / R. Jayathilakage, P. Rajeev, J. G. Sanjayan // Construction and Building Materials. — 2020. — Vol. 240. — P. 117989. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117989.
10. Khan, M. A. Mix suitable for concrete 3D printing: A review / M. A. Khan // Materials today: Proceedings — 2020. — Vol. 32 (4). — P. 831—837. — DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.825.
11. Labonnote, N. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities / N. Labonnote, A. Rоnnquist, B. Manum, P. Rüther // Autom. Constr. — 2016. — Vol. 72. — P. 347—366.
12. López, A. Color stability in mortars and concretes. P. 1: Study on architectural mortars / A. López, G. A. Guzmán, A. R. Di Sarli // Constr. Build. Mater. — 2016. — Vol. 120. — P. 617—622. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.05.133.
13. López, A. Color stability in mortars and concretes. P. 2: Study on architectural concretes / A. López, G. A. Guzmán, A. R. Di Sarli // Constr. Build. Mater. — 2016. — Vol. 123. — P. 248—253. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.147.
14. Ma, G. W. A critical review of preparation design and workability measurement of concrete material for largescale 3D printing / G. W. Ma, L. Wang // Front Struct Civil Eng. — 2018. —Vol. 12 (3). — P. 382—400. — DOI: 10.1007/s11709-017-0430-x.
15. Marchon, D. Hydration and rheology control of concrete for digital fabrication: Potential admixtures and cement chemistry / D. Marchon, S. Kawashima, H. Bessaies-Bey, S. Mantellato, S. Ng // Cement and Concrete Research. — 2018. — Vol. 112. — P.96—110. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.05.014.
16. Soltan, D. G. A self-reinforced cementitious composite for building-scale 3D printing / D. G. Soltan, V. C. Li // Cem. Concr. Compos. — 2018. — Vol. 90. — P. 1—13. — DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2018.03.017.
17. Souza, M. T. 3D printed concrete for large-scale buildings: An overview of rheology, printing parameters, chemical admixtures, reinforcements, and economic and environmental prospects / M. T. Souza, I. M. Ferreira, E. Guzi de Moraes, L. Senff, A. P. Novaes de Oliveira // Journal of Building Engineering. — 2020. — Vol. 32. — P. 101833. — DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101833.
18. Vergara, L. A. Additive manufacturing of Portland cement pastes with additions of kaolin, superplastificant and calcium carbonate / L. A. Vergara, H. A. Colorado // Construction and Building Materials. — 2020. — Vol. 248. — P. 118669. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118669.
19. Wangler, T. Digital Concrete: A Review / T. Wangler, N. Roussel, F. P. Bos, A. M. Salet, R. J. Flatt // cement and Concrete Research. — 2019. — Vol. 123. — P. 105780. — DOI: 105780.10.1016/j.cemconres.2019.105780.
20. Yu, K. 3D-printable engineered cementitious composites (3DP-ECC): Fresh and hardened properties / K. Yu, W. Mc Gee, T. Y. Ng, H. Zhu, V. C. Li // Cement and Concrete Research. — 2021. — Vol. 143. — P. 106388. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106388.
21. Yuan, Q. On the measurement of evolution of structural build-up of cement paste with time by static yield stress test vs. small amplitude oscillatory shear test / Q. Yuan, D. Zhou, K. H. Khayat, D. Feys, C. Shi // Cem. Concr. Res. — 2017. — Vol. 99. — P. 183—189. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2017.05.014.
22. Zahia, T. The squeezing test: a tool to identify firm cement-based material’s rheological behaviour and evaluate their extrusion ability / T. Zahia, N. Roussel, C. Lanos // Cem. Concr. Res. — 2005. — Vol. 35. — P. 1891—1899. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.09.007.
23. Zhang, Y. Fresh properties of a novel 3D printing concrete ink / Y. Zhang, Y. Zhang, G. Liu, Y. Yang, M. Wu, B. Pang // Construction and Building Materials. — 2018. — Vol. 174. — P. 263—271. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.04.115.
| | | | | Ссылка для цитирования Славчева, Г. С. Состав и свойства смесей декоративного бетона для 3D-печати / Г. С. Славчева, Е. А. Бритвина, М. А. Шведова // Научный журнал строительства и архитектуры. - 2021. - № 4 (64). - С. 103-113. - DOI: 10.36622/VSTU.2021.64.4.010. | | | | | | | | | English version | | | Fresh Properties and Mix Design for 3D-Printable Decorative Concrete | Slavcheva G. S., Britvina E. A., Shvedova M. A. | | | | | Slavcheva G. S., D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Technology of Building Materials, Products and Construction, Voronezh State Technical University, Russia, Voronezh, e-mail: gslavcheva@yandex.ru Britvina E. A., PhD student of the Dept. of Technology of Building Materials, Products and Construction, Voronezh State Technical University, Russia, Voronezh, e-mail: esolovieva@vgasu.vrn.ru Shvedova M. A., Engineer of the Dept. of Chemistry and Chemical Technology of Materials, Voronezh State Technical University, Russia, Voronezh, e-mail: marishwedowa@mail.ru |
| | | Statement of the problem. This paper present the rheological properties of 3D-printable decorative concrete. The effects of the mix proportion on its plasticity and shape stability are presented together. It has been established that a kind of cement changes the plasticity of fresh mixtures and its resistance to load during printing.
Results. The fresh mixtures of 3D-printable decorative concrete with effective mix design had plastic yield value Ki ≅1.0—2.2 kPa, structural strength σ0=1.5—4.5 kPa, value of plastic deformations Δпл=0.03—0.07 mm/mm. That has defined the ability of these mixes to plastically deform without any structure destruction and hold its shape, resist the deformation under compressions load during multi-layer casting.
Conclusions. Shape stability of 3D-printable mix can be changed by 2—3 times by using cement with an efficient ranging of a particle size. The plasticity and shape stability of fresh mixes can be regulated using viscosity modifiers whose type depends on the type of cement.
| | | | Keywords: additive manufacturing, 3D-printable decorative concrete, rheological properties, plasticity of the mix, dimensional stability, yield stress, structural strength, relative plastic deformations. |
DOI: 10.36622/VSTU.2021.64.4.010
References 1. Slavcheva, G. S. Reologicheskoe povedenie dispersnykh sistem dlya stroitel'noi 3D-pechati: problema upravleniya i vozmozhnosti arsenala «nano» / G. S. Slavcheva, O. V. Artamonova // Nanotekhnologii v stroitel'stve: nauchnyi internet-zhurnal. — 2018. — № 10. — S. 107—122.
2. Ur'ev, N. B. Fiziko-khimicheskaya dinamika strukturirovannykh nanodispersnykh sistem i nanodispersnykh kompozitsionnykh materialov. Ch. 1 / N. B. Ur'ev // Fizikokhimiya poverkhnosti i zashchita materialov — 2010. — № 46. — S. 3—23.
3. Benini, H. Concreto Arquitetônico e Decorativo en Concreto / H. Benini; G. C. Isaia (ed.) // Ensino, Pesquisa E Reliazações, IBRACON. — 2007. — P. 1413—1551.
4. Benítez, A. Hormigones arquitectónicos: blancos y coloreados / A. Benítez, H. Bálsamo; E. F. Irassar (ed.) // Hormigones Especiales, AATH. — 2004. — P. 75—90
5. De Schutter, G. Vision of 3D printing with concrete-technical, economic and environmental potentials / De G. Schutter, K. Lesage, V. Mechtcherine, V. N. Nerella, G. Habert & I. Agusti-Juan // Cement and Concrete Research. — 2018. — Vol. 112. — P. 25—36.
6. Fernández Gómez, J. Estructuras de concreto aparente / J. Fernández Gómez // Simposio Internacional sobre Concretos Especiais. — 2000. — P. 1—22.
7. Figueiredo, S. C. Effect of viscosity modifier admixture on portland cement paste hydration and microstructure / S. C. Figueiredo, O. Çopuroğlu, E. Schlangen // Construction and Building Materials. — 2019. — Vol. 212. — P. 818—840. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.020.
8. Hou, S. A review of 3D printed concrete: Performance requirements, testing measurements and mix design / S. Hou, Z. Duan, J. Xiao, J. Ye // Construction and Building Materials. — 2021. — Vol. 273. — P. 121745. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121745.
9. Jayathilakage, R. Yield stress criteria to assess the buildability of 3D concrete printing / R. Jayathilakage, P. Rajeev, J. G. Sanjayan // Construction and Building Materials. — 2020. — Vol. 240. — P. 117989. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117989.
10. Khan, M. A. Mix suitable for concrete 3D printing: A review / M. A. Khan // Materials today: Proceedings — 2020. — Vol. 32 (4). — P. 831—837. — DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.825.
11. Labonnote, N. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities / N. Labonnote, A. Rоnnquist, B. Manum, P. Rüther // Autom. Constr. — 2016. — Vol. 72. — P. 347—366.
12. López, A. Color stability in mortars and concretes. P. 1: Study on architectural mortars / A. López, G. A. Guzmán, A. R. Di Sarli // Constr. Build. Mater. — 2016. — Vol. 120. — P. 617—622. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.05.133.
13. López, A. Color stability in mortars and concretes. P. 2: Study on architectural concretes / A. López, G. A. Guzmán, A. R. Di Sarli // Constr. Build. Mater. — 2016. — Vol. 123. — P. 248—253. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.147.
14. Ma, G. W. A critical review of preparation design and workability measurement of concrete material for largescale 3D printing / G. W. Ma, L. Wang // Front Struct Civil Eng. — 2018. —Vol. 12 (3). — P. 382—400. — DOI: 10.1007/s11709-017-0430-x.
15. Marchon, D. Hydration and rheology control of concrete for digital fabrication: Potential admixtures and cement chemistry / D. Marchon, S. Kawashima, H. Bessaies-Bey, S. Mantellato, S. Ng // Cement and Concrete Research. — 2018. — Vol. 112. — P.96—110. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.05.014.
16. Soltan, D. G. A self-reinforced cementitious composite for building-scale 3D printing / D. G. Soltan, V. C. Li // Cem. Concr. Compos. — 2018. — Vol. 90. — P. 1—13. — DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2018.03.017.
17. Souza, M. T. 3D printed concrete for large-scale buildings: An overview of rheology, printing parameters, chemical admixtures, reinforcements, and economic and environmental prospects / M. T. Souza, I. M. Ferreira, E. Guzi de Moraes, L. Senff, A. P. Novaes de Oliveira // Journal of Building Engineering. — 2020. — Vol. 32. — P. 101833. — DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101833.
18. Vergara, L. A. Additive manufacturing of Portland cement pastes with additions of kaolin, superplastificant and calcium carbonate / L. A. Vergara, H. A. Colorado // Construction and Building Materials. — 2020. — Vol. 248. — P. 118669. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118669.
19. Wangler, T. Digital Concrete: A Review / T. Wangler, N. Roussel, F. P. Bos, A. M. Salet, R. J. Flatt // cement and Concrete Research. — 2019. — Vol. 123. — P. 105780. — DOI: 105780.10.1016/j.cemconres.2019.105780.
20. Yu, K. 3D-printable engineered cementitious composites (3DP-ECC): Fresh and hardened properties / K. Yu, W. Mc Gee, T. Y. Ng, H. Zhu, V. C. Li // Cement and Concrete Research. — 2021. — Vol. 143. — P. 106388. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106388.
21. Yuan, Q. On the measurement of evolution of structural build-up of cement paste with time by static yield stress test vs. small amplitude oscillatory shear test / Q. Yuan, D. Zhou, K. H. Khayat, D. Feys, C. Shi // Cem. Concr. Res. — 2017. — Vol. 99. — P. 183—189. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2017.05.014.
22. Zahia, T. The squeezing test: a tool to identify firm cement-based material’s rheological behaviour and evaluate their extrusion ability / T. Zahia, N. Roussel, C. Lanos // Cem. Concr. Res. — 2005. — Vol. 35. — P. 1891—1899. — DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.09.007.
23. Zhang, Y. Fresh properties of a novel 3D printing concrete ink / Y. Zhang, Y. Zhang, G. Liu, Y. Yang, M. Wu, B. Pang // Construction and Building Materials. — 2018. — Vol. 174. — P. 263—271. — DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.04.115.
|
|
|
|
|
