сотрудник с 01.01.2016 по настоящее время
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник с 01.01.2007 по настоящее время
Россия
УДК 691.32 Бетоны. Бетонные и железобетонные изделия
В статье рассмотрено решение актуальной проблемы развития 3D-аддитивных технологий в России путем создания новой модели формующего устройства и разработки композиционных материалов. Целью данной работы является изучение физических, технологических и тепловых свойств крупнопористого керамзитобетона. Требуемые характеристики определяются стандартными методами и требованиями нормативных документов, включая современные физико-химические методы анализа и широкий спектр современных и оригинальных методов исследования, соответствующих современным научным знаниям. Получены составы крупнопористого керамзитобетона с прочностью на сжатие до 9,2 МПа и водопоглощением до 25 % по массе. Для моделирования поведения исследуемых систем был проведен двухфакторный трехуровневый эксперимент для каждого типа смеси крупнопористого керамзитобетона, который позволил получить уравнения регрессии, характеризующие взаимосвязь переменных параметров с определенными свойствами системы. Выявлено, что на величину средней плотности в наибольшей степени влияет удельный расход вяжущего. В то время как прочность больше всего зависит от В/Ц отношения. Более того, в этом случае количество воды в меньшей степени связано с пористостью самого цементного камня, а в большей – с консистенцией и липкостью получаемого клея, его способностью равномерно покрывать частицы наполнителя. Установлено, что рационально подобранные составы конструкционно-теплоизоляционных КПКБ для внутреннего заполнения трехслойной "печатной" стены, омоноличивания и теплоизоляции обеспечат формирование требуемых технико-эксплуатационных показателей.
3D-аддитивные технологии, многослойный синтез, керамзитобетон, 3D-печать, водопоглощение
Введение. Аддитивные технологии имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных архитектурных форм и видов продукции, становятся неотъемлемой частью строительной индустрии, решающей функциональные, психоэмоциональные и инновационно-технологические задачи [1–2].
В результате систематизации данных возникают новые трансдисциплинарные направления науки: биотехнология, геохимия, геофизика, бионика, в том числе геоника (геомиметика) - научное направление, которое рассматривается как искусство применения знаний неорганического мира для решения новых технологических проблем (рис. 1) [3–8].
Рис. 1. Новые трансдисциплинарные направления наук
Каждая из данных дисциплин, решая поставленные перед ней задачи, стремиться найти идеальный вариант комфортной среды обитания для человека, помогая другой [9-13]. Такой обширный спектр задач порождает новые потоки инновационных идей, благодаря глубокому пониманию их взаимосвязей, поэтому потенциал применения новых эффективных материалов и методов 3D-аддитивного строительства способны стать двигателем развития строительной отрасли.
Несмотря на многие положительные особенности, внедрение 3D-аддитивных технологий в России ещё не достигло значительного уровня. Наиболее распространенным способом печати на данный момент стала контурная печать. Её узким местом является сложность придания конструкции требуемых теплофизических свойств и низкая скорость печати, связанная с большой удельной длиной печатного трека [14].
Существует потребность в создании моделей отечественных формующих устройств для многослойного синтеза и композитов с повышенными технологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Наиболее эффективным и актуальным подходом к печати стен является послойное формование многослойной полнотелой конструкции, состоящей из мелкозернистых внешних декоративно-защитных слоёв, и внутреннего конструкционно-теплоизоляционного слоя. В качестве материалов для внутреннего слоя интерес представляют керамзитобетон, пенобетон, неавтоклавный газобетон. Согласно анализу публикаций [15-16], находящихся в открытом доступе, данное направление находится на начальном этапе развития.
В этой связи большой научно-практический интерес представляет исследование крупнопористого керамзитобетона ввиду особенностей его структуры и свойств.
Крупнопористый керамзитобетон (КПКБ) представляет собой беспесчаный легкий бетон, состоящий из керамзитового гравия, скрепленного небольшим количеством цементного камня, который, обволакивая тонким слоем зерна заполнителя, не заполняет пустотность между ними. Повышенные теплотехнические характеристики крупнопористого керамзитобетона обусловлены структурными особенностями, которые характеризуются открытой непрерывной пористостью и зернистым строением, что отличает его от традиционных легких бетонов.
На сегодняшний день в строительной отрасли не существует документов, регламентирующих состав и требования, предъявляемые к характеристикам и качеству КПКБ для 3D-аддитивных технологий. Одной из основных проблем, тормозящих развитие 3D-аддитивного строительства для массового применения, является ограниченность рынка используемых материалов и компонентов, пригодных для многослойной печати. В этой связи целью работы стала разработка эффективных составов крупнопористого керамзитобетона, для изготовления методом печати эффективных трехслойных стеновых элементов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Материалы и методы. В экспериментальных исследованиях при изготовлении бетонов применялись следующие исходные материалы: в качестве вяжущего – композиционные вяжущие с удельной поверхностью 380 и 500 м2/кг, полученное в результате совместного помола отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского месторождения (табл. 1) с портландцементом ЦЕМ I 42,5H (табл. 2); сухая керамзитовая засыпка для сборных полов КНАУФ фракции 0-1,25, суперпластификатор Реламикс ПК, вода.
Таблица 1
Химический состав кварцитопесчанника
|
Содержание оксидов, масс. % |
|||||||||
|
SiO2 |
TiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
FeO |
CaO |
MgO |
Na2O+K2O |
P2O5 |
S |
|
86,24 |
0,27 |
2,39 |
2,16 |
1,58 |
0,89 |
1,34 |
0,69 |
0,11 |
0,06 |
Таблица 2
Состав и свойства применяемого портландцемента
|
Наименование портландцемента изготовителя (маркировка) |
Sуд., м2/кг |
НГ, % |
Сроки схватывания, час:мин |
Минералогический состав, % |
Прочность через 28 сут, МПа |
|||||
|
начало |
конец |
C3S |
C2S |
C3A |
C4AF |
Rизг |
Rcж |
|||
|
ЦЕМ I 42,5Н |
380 |
25,0 |
3:00 |
4:30 |
61,4 |
12,1 |
6,7 |
12,0 |
8,1 |
58,3 |
Для изучения и анализа сырьевых компонентов и бетонов на их основе в работе применялись стандартные методики, современные физико-химические методы анализа и оригинальные методы исследований, соответствующие решаемым задачам.
Был осуществлен двухфакторный трехуровневый эксперимент, в котором варьировался расход вяжущего на 1 см3 заполнителя (х1) и В/Ц (х2). В качестве выходных параметров были приняты средняя плотность, прочность на сжатие и водопоглощение КПКБ.
Для всех образцов периодически осуществлялись: контроль массы (степень увлажнения); скорость прохождения ультразвука (прочность на сжатие в возрасте 7 и 28 суток, наличие глобальных дефектов); осмотр текущего состояния (наличие трещин, сколов).
Динамика водопоглощения и сушки крупнопористого керамзитобетона определялась по ГОСТ 12730.3-78 путём погружения предварительно высушенных образцов (7×7×7 мм) в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм. Образцы взвешивают через каждые 24 ч водопоглощения. Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %. Водопоглощение бетона отдельного образца по массе Wм в процентах определяют с погрешностью до 0,1 % по формуле:
, (1),
где mс, – масса высушенного образна, г;
mв – масса водонасышенного образца, г.
Данная методика позволяет сравнивать материалы одного типа и получить картину строения порового пространства.
Основная часть. Для получения методом 3D-печати эффективных трёхслойных стеновых элементов с повышенными эксплуатационными характеристиками научными сотрудниками кафедры Строительного материаловедения, изделий и конструкций БГТУ им. В.Г. Шухова зарегистрирован патент на полезную модель РФ №205716 «Формующее устройство для аддитивного изготовления многослойных стеновых конструкций» (рис. 2).
Рис. 2. Формующее устройство для аддитивного изготовления многослойных стеновых конструкций:
1 – контейнер для бетонной смеси; 2 – перегородка; 3 и 4 – два отсека; 5 – наклонные пластины;
6, 7 и 8 – независимые выходные отверстия из контейнера; 9 – сопло, разделённое на три канала 10, 11 и 12;
13 – вибровкладыши; 14 – вал; 15 – вибровозбудители; 16 – эластичные втулки; 17 – шиберы;
18 – поворотные заглаживающе-поддерживающие щитки (ЗПЩ)
Для совершенствования нового вида трехслойной 3D-печати с монолитной связью слоев осуществлялся подбор и оптимизация состава крупнопористого керамзитобетона.
Для моделирования поведения изучаемых систем для каждого вида смеси КПКБ был осуществлен двухфакторный трехуровневый эксперимент, который позволил получить уравнения регрессии, характеризующие связь варьируемых параметров с определёнными свойствами системы (табл. 3–4).
На основании полученных результатов была проведена статистическая обработка данных в Microsoft Excel и составлены математические модели, позволяющие получать составы с заданными прочностными показателями в исследуемом диапазоне дозирования вяжущего и В/Ц.
Уравнение регрессии прочности на сжатие в возрасте 28 суток КПКБ на сжатие:
Rсж28 =3,94+2,84x1+0,8x2 -0,31x12+0,75x22+1,01x1∙x2;
Уравнение регрессии средней плотности в возрасте 28 суток КПКБ:
Rρср =694,67+62x1+31,3x2 +18,5x12-8x22+16,25x1∙x2;
Уравнение регрессии водопоглощения КПКБ:
Rвод =15,95-3x1+0,14x2+1,53x12+2,39x22-0,73x1∙x2;
Таблица 3
Условия планирования эксперимента
|
Фактор |
Уровень варьирования |
Интервал |
|||
|
Натуральный вид |
Кодированный вид |
-1 |
0 |
1 |
|
|
Расход цемента, г/см3 |
x1 |
0,25 |
0,4 |
0,55 |
0,15 |
|
В/Ц |
x2 |
0,45 |
0,55 |
0,65 |
0,1 |
Таблица 4
Матрица планирования эксперимента
|
Точки плана |
Матрица |
Квадраты |
Взаимодействие факторов |
Прочность на сжатие Rсж 28 сут., МПа |
Средняя |
||
|
х1 |
х2 |
х12 |
х22 |
х1 х2 |
Y1 |
Y2 |
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9,2 |
820 |
|
2 |
1 |
-1 |
1 |
1 |
-1 |
7,14 |
747 |
|
3 |
-1 |
1 |
1 |
1 |
-1 |
0,51 |
645 |
|
4 |
-1 |
-1 |
1 |
1 |
1 |
2,5 |
637 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
4,56 |
743 |
|
6 |
-1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0,87 |
655 |
|
7 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
6,14 |
726 |
|
8 |
0 |
-1 |
0 |
1 |
0 |
1,41 |
619 |
|
9 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
5,77 |
723 |
На основании данных уравнений были составлены номограммы (рис. 3), визуально отображающие зависимость прочности, плотности, водопоглощения от принятых переменных параметров.
Как видно из графиков, на величину средней плотности в наибольшей степени влияет удельный расход вяжущего. В то время как прочность в наибольшей степени зависит от В/Ц отношения. Причём в данном случае количество воды в меньшей степени связано с пористостью самого цементного камня, а в большей степени с консистенцией и липкостью получаемого клея, его способностью равномерно покрывать частицы заполнителя.
В результате были получены составы со средней плотностью около 700 кг/м3, с прочностью на сжатие 6...7 МПа. Кроме того, существует возможность повышения прочности на сжатие до 9,2 МПа, за счёт увеличения средней плотности. Бетон, обладающий такими физико-механическими характеристиками, может быть использован для трехслойного 3D-аддитивного строительства. Состав 2, ввиду недостаточного количества цементного клея, разрушился.
Основные физико-механические характеристики бетонов на пористых заполнителях зависят от: 1) совокупности химических элементов, составляющих вещество; 2) структурных особенностей в результате затвердевания бетонной смеси и последующего твердения бетона. На формирование макро- и микроструктуры крупнопористого керамзитобетона существенную роль оказывает технология приготовления бетонной смеси, а также последующая ее интенсификация твердения. При изучении динамики водонасыщения и сушки материалов можно получить информацию о характере распределения пор и особенностях физического взаимодействия материалов с водой. Динамика водопоглощения определялась путём полного погружения предварительно высушенных образцов КПКБ в воду с периодическим взвешиванием (рис. 4).
Рис. 3. Номограммы влияния варьируемых факторов на:
а) прочность при сжатии в возрасте 28 суток;
б) водопоглощение в первый час испытаний; в) средняя плотность
Рис. 4. Динамика водонасыщения и высыхания материалов (№1-№8, №10 КПКБ-КВ-50КВП – составы с применением композиционного вяжущего с содержанием клинкерной части 50 % и различным В/Ц отношением;
№9 КПКБ-КВ-20КВП – состав на композиционном вяжущем с содержанием клинкерной части 20%;
№11 КПКБ-ЦЕМ – состав с применением портландцемента ЦЕМ I 42,5Н в качестве вяжущего)
Как видно из таблицы, наименьшим водопоглощением через 1 час обладают составы 1, 5 и 9. Наилучший результат обусловлен уменьшением макро- и микропористости бетона. В них обмазка зёрен заполнителя равномерная, а сам цементный камень наиболее плотный. Эти же составы имеют наилучшие показатели прочности. Таким образом, по совокупности показателей, в том числе наименьшему расходу вяжущего для печати внутреннего слоя стен оптимальным является состав № 9.
Рационально подобранные композиции конструкционно-теплоизоляционные КПКБ для внутреннего заполнения трехслойной «напечатанной» стены, омоноличивания и теплоизоляции обеспечат формирование требуемых технико-эксплуатационных показателей. Рассмотрен вопрос возможного применения разработанного крупнопористого керамзитобетона в сочетании с мелкозернистым бетоном. Целью расчета было определить ориентировочную толщину трехслойной наружной стены в условиях города Белгорода, в которой крайние слои из мелкозернистого бетона выполняли защитно-декоративную, а средний слой из крупнопористого керамзитобетона – теплоизоляционно-конструкционную. Расчеты проводились в соответствии с СП 50.13330.2012 и СП 131. 13330.2020 для жилого здания. Расчетная температура внутреннего воздуха принималась равной 20 оС для жилых зданий. Толщина крайних стенок принималась 30 мм. Расчеты показали, что необходимая толщина крупнопористого керамзитобетона для соблюдения требований по теплопередаче для Белгородского региона должна быть не менее 400–500 мм, а в целом толщина конструкции составляет 500–550 мм.
Выводы. Разработка составов строительных композитов, а также организация их массового производства для трехслойного 3D-аддитивного строительства зданий и сооружений позволит повысить психологический комфорт человека, обеспечит строительную отрасль промышленности изделиями сложной формы, с высокими эксплуатационными характеристиками, многократно сократит сроки строительства.
Серьёзной проблемой, тормозящей развитие технологии аддитивного строительства, является ограниченность рынка используемых компонентов и материалов. Одним из путей повышения эффективности технологии строительной печати стен и сборных элементов стен, при заводском способе организации производства, является переход от контурной печати к печати полнотелых многослойных конструкций. При этом в качестве материалов предлагается использование мелкозернистых бетонов в качестве защитно-декоративных внешних слоёв стен и перегородок, и крупнопористых керамзитобетонов для их внутреннего заполнения, омоноличивания и теплоизоляции. В процессе печати, наиболее объёмный внутренний слой из жёсткой крупнопористой керамзитобетонной смеси, формуемый за счёт гравитационных сил и вибрационной подачи, будет выполнять поддерживающую функцию по отношению к пластичным внешним слоям их мелкозернистого бетона.
Разработанные составы крупнопористого керамзитобетона, обеспечивающие предел прочности при сжатии до 9,2 МПа, водопоглощением до 25 % по массе позволяют:
- обеспечить строительную отрасль промышленности изделиями сложной формы, с высокими эксплуатационными характеристиками;
- снизить себестоимость изготовления изделий сложной формы за счет отказа от дорогостоящих операций механической обработки.
1. 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 // Compos. Part B Eng. 2018. Vol. 143. Pp. 172-196. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.compo-sitesb.2018.02.012.
2. Vatin N.I., Usanova K.Y. BIM end-to-end training: From school to graduate school // Adv. Trends Eng. Sci. Technol. III-Proc. 3rd Int. Conf. Eng. Sci. Technol. ESaT 2018. 2019. Pp. 651-656. DOIhttps://doi.org/10.1201/9780429021596-102.
3. Lesovik V. Geonics. Subject and tasks. Belgorod: Publishing House of V. G. Shukhov BSTU. 2012. 213 p.
4. Казлитина О.В., Мартынова К.Ю., Адонин С.В., Лазарев П.И., Моторыкин Д.А., Антонюк Р. Геоника. Геоммиметика как наука о разработке и применении эффективных композитов для монолитного строительства // Наукоемкие технологии и инновации. 2019. С. 221-224.
5. Бычкова А.А. Отобажение синергетики в архитектурной геонике (Геомиметике) // Экономика. Общество. Человек. 2019. С. 57-61.
6. Цветкова Ю.П. Геоника как новое стилистическое направление в архитектуре // Фундаментальные основы строительного материаловедения. 2017. С. 1260-1265.
7. Немцева А.В., Пономарёва М.М. Архитектурная геоника в современных творческих концепциях // Природоподобные технологии строительных композитов для защиты среды обитания человека. 2019. С. 34-38.
8. Лесовик В.С., Шеремет А.А., Чулкова И.Л., Журавлева А.Э. Геоника (геомиметика) и поиск оптимальных решений в строительном материаловедении // Научный рецензируемый журнал «Вестник СибАДИ». 2021. Том 18 (1). С. 120-134.
9. Першина И.Л. Архитектурная геоника: новые подходы к архитектурному поиску комфортной среды обитания // Наука, образование и экспериментальное проектирование в МАРХИ. 2018. С. 430-431.
10. Елистраткин М.Ю., Шапиро А.Э., Милькина А.С., Лесовик Г.А., Агеева М.С. Геоника. Геоммиметика как основополагающее направление для развития строительной индустрии // Наукоемкие технологии и инновации. 2019. С. 125-129.
11. Lesovik V., Volodchenko A., Glagolev E., Lashina I., Fischer H. Geonics (geomimetics) as a theoretical basis for new generation compositing // 14th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM2019). Сер. «Springer Proceedings in Earthand Environmental Sciences». 2019. Pp. 344-347. DOIhttps://doi.org/10.1007/978-3-030-22974-0_83.
12. Lesovik V.S., Lesovik O.V., Volodchenko A.A. Geonics (Geomimetics) as a Theoretical Approach for Designing and Production of Natural-Like Heat-Insulating Structurally and Composites with Acoustic Properties // Journal of southwest jiaotong university. 2020. Vol. 55. No. 3. DOIhttps://doi.org/10.35741/issn.0258-2724.55.3.14.
13. Pershina I.L. On study and accounting of geophysical fields in architectural space of sacral purpose // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 687. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/687/5/0550.
14. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чернышева Н.В. Современные трехмерные технологии и факторы сдерживающие их // Вестник БГТУ В.Г. Шухова. 2016. № 12. С. 22-30.
15. Markin V., Nerella V.N., Schröfl C., Guseynova G., Mechtcherine V. Material Design and Performance Evaluation of Foam Concrete for Digital Fabrication // Materials (Basel). 2019. Vol. 12. No. 15. 2433. DOIhttps://doi.org/10.3390/ma12152433.
16. Глаголев Е.С., Ермолаева А.Э., Елистраткин М.Ю. Использование ячеистых бетонов в 3d-аддитивной индустрии // Теоретические основы создания эффективных композитов. Сборник материалов Российской онлайн-конференции, посвященной Дню науки. 2018. С. 75-82.
17. Wolfs R., Bos F., Salet T. Early age mechanical behaviour of 3D-printed concrete: Numerical modelling and experimental testing // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 106. Pp. 103--116.
18. Hager I., Golonka A., Putanowicz R. 3D printing of buildings and building components as the future of sustainable construction // Procedia Engineering. 2016. Vol. 151. Pp. 292-299.
19. Malaeb Z., Hachem H.A., Tourbah A., Maalouf T., Zarwi N.E., Hamzeh F.R. 3D Concrete printing: machine and mix design // International Journal of Civil Engineering. 2016. Vol. 6. No. 6. Pp. 14-22.
20. Lu B., Weng Y., Li M., Qian Y., Leong K.F., Tan M.J., Qian S. A sys tematical review of 3D printable cementitious materials // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 207. Pp. 477-490. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.144.
21. Mechtcherine V., Bos F.P., Perrot A., Leal da Silva W.R., Nerella V.N., Fataei S., Wolfs R.J.M., Sonebi M., Roussel N. Extrusion-based additive manufacturing with cement-based materials - Production steps, processes, and their underlying physics: a review // Cement and Concrete Research. 2020. Vol. 132. 106037. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106037
22. Gosselin C., Duballet R., Roux P., Gaudilliere N., Dirrenberger J., Morel P. Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete - a new processing route for architects and builders // Materials & Design. 2016. Vol. 100. Pp. 102-109.
23. Wolfs R.J.M., Salet T.A.M. An optimization strategy for 3D concrete printing // In Proceedings of the 22nd EG-ICE workshop 2015. 2015. Pp. 1-5.
24. Labonnote N., Ronnquist A., Manum B., Ruther P. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities // Automation in Construction. 2016. Vol. 72. Pp. 347-366.
