RU2777887C1 - Building mixture based on cement for 3d printing - Google Patents
Building mixture based on cement for 3d printing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777887C1 RU2777887C1 RU2021140051A RU2021140051A RU2777887C1 RU 2777887 C1 RU2777887 C1 RU 2777887C1 RU 2021140051 A RU2021140051 A RU 2021140051A RU 2021140051 A RU2021140051 A RU 2021140051A RU 2777887 C1 RU2777887 C1 RU 2777887C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- building
- mixture
- cement
- superplasticizer
- printing
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000007639 printing Methods 0.000 title description 3
- 239000008030 superplasticizer Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims abstract description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- -1 polyphenylethoxysiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 16
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229920005646 polycarboxylate Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims abstract description 4
- SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J aluminum;tetrahydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims abstract description 3
- 235000019976 tricalcium silicate Nutrition 0.000 claims abstract description 3
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 23
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 3
- 239000004566 building material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000996 additive Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 26
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 9
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 8
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- RYCLIXPGLDDLTM-UHFFFAOYSA-J tetrapotassium;phosphonato phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O RYCLIXPGLDDLTM-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 4
- 229920001285 xanthan gum Polymers 0.000 description 4
- 229940082509 xanthan gum Drugs 0.000 description 4
- 235000010493 xanthan gum Nutrition 0.000 description 4
- 239000000230 xanthan gum Substances 0.000 description 4
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000011414 polymer cement Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L Calcium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 description 1
- FEWJPZIEWOKRBE-XIXRPRMCSA-N Mesotartaric acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](O)[C@@H](O)C(O)=O FEWJPZIEWOKRBE-XIXRPRMCSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229940067916 PCE Drugs 0.000 description 1
- 235000011116 calcium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- LVSJLTMNAQBTPE-UHFFFAOYSA-N disodium tetraborate Chemical compound [Na+].[Na+].O1B(O)O[B-]2(O)OB(O)O[B-]1(O)O2 LVSJLTMNAQBTPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 235000021271 drinking Nutrition 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 230000004634 feeding behavior Effects 0.000 description 1
- 239000012456 homogeneous solution Substances 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 1
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 235000010339 sodium tetraborate Nutrition 0.000 description 1
- 239000004328 sodium tetraborate Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic Effects 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 229960001367 tartaric acid Drugs 0.000 description 1
- 235000002906 tartaric acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011975 tartaric acid Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 239000004034 viscosity adjusting agent Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных изделий и конструкций в технологии аддитивного производства методом послойного экструдирования (3D-печати) строительной смеси на основе портландцемента, песка, тонкомолотого пуццоланового компонента, суперпластификатора и полифенилэтоксисилоксана.The invention relates to the building materials industry and can be used for the manufacture of building products and structures in the additive manufacturing technology by layer-by-layer extrusion (3D printing) of a building mixture based on Portland cement, sand, finely ground pozzolanic component, superplasticizer and polyphenylethoxysiloxane.
Известна сырьевая смесь на основе цемента для строительной 3D-печати, включающая сульфоалюминатный цемент - 150-400 кг, золу - 0-250 кг, песок с диаметром частиц 0,075-5 мм, полипропиленовую фибру с длиной 3-6 мм, суперпластификатор PCE производства Shandong Hongyi Technology Co., Ltd - 1,5-2,5 % от массы цемента, замедлитель схватывания тетраборат натрия и винная кислота в соотношении 1:(1-1,5) - 0,01-0,2 % от массы цемента, при этом 10-минутная осадка предлагаемого материала на основе цемента составляет 90-110 мм, начало схватывания составляет 15-80 мин, конец схватывания составляет 30-100 мин [1]. Недостатками данного изобретения являются наличие большого числа компонентов смеси, повышенный расход компонентов смеси и увеличение ее стоимости, вызванное применением быстротвердеющего сульфоалюминатного цемента и замедлителя схватывания.Known raw material mixture based on cement for building 3D printing, including sulfoaluminate cement - 150-400 kg, ash - 0-250 kg, sand with a particle diameter of 0.075-5 mm, polypropylene fiber with a length of 3-6 mm, superplasticizer PCE manufactured by Shandong Hongyi Technology Co., Ltd - 1.5-2.5% by weight of cement, retarder sodium tetraborate and tartaric acid in a ratio of 1: (1-1.5) - 0.01-0.2% by weight of cement, while the 10-minute draft of the proposed cement-based material is 90-110 mm, the beginning of setting is 15-80 minutes, the end of setting is 30-100 minutes [1]. The disadvantages of this invention are the presence of a large number of components of the mixture, the increased consumption of the components of the mixture and the increase in its cost caused by the use of fast-hardening sulfoaluminate cement and retarder.
Известна высокотиксотропная сырьевая смесь для строительной 3D-печати, включающая в себя, мас.%: специальный тиксотропный агент 1,0-3,0, цемент 35-40, суперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилата 0,1-0,4, полипропиленовое волокно 0,1-0,4, воду 12,5-14,5, песок - остальное [2]. Недостатками данного изобретения являются снижение физико-механических характеристик композита при температуре свыше 140°C, вызванное плавлением полипропиленового волокна.A highly thixotropic raw material mixture for construction 3D printing is known, including, wt %: a special thixotropic agent 1.0-3.0, cement 35-40, a superplasticizer based on polycarboxylate esters 0.1-0.4, polypropylene fiber 0 ,1-0.4, water 12.5-14.5, sand - the rest [2]. The disadvantages of this invention are the reduction of the physico-mechanical characteristics of the composite at temperatures above 140°C, caused by the melting of the polypropylene fiber.
Известен модифицированный полимерцементный композиционный материал для 3D-печати, включающий, мас.%: портландцемент 24,37-34,16, поливинилацетатная дисперсия 2,44-2,56, песок 50,74-61,38, жидкое стекло 1,70-2,44, фиброволокно полипропиленовое 0,02-0,03, флороглюцинфурфурольный модификатор 0,05-0,07, вода - остальное [3]. Недостатками данного изобретения являются невысокие сроки начала схватывания - до 45-70 мин, что вызывает затруднение транспортирования сырьевой смеси с завода на строительную площадку, низкие показатели прочности на сжатие и изгиб в возрасте 28 сут, повышенное водопоглощение.A modified polymer-cement composite material for 3D printing is known, including, wt %: Portland cement 24.37-34.16, polyvinyl acetate dispersion 2.44-2.56, sand 50.74-61.38, liquid glass 1.70- 2.44, polypropylene fiber 0.02-0.03, phloroglucinfurfural modifier 0.05-0.07, water - the rest [3]. The disadvantages of this invention are the low setting start time - up to 45-70 minutes, which makes it difficult to transport the raw mix from the plant to the construction site, low compressive strength and bending at the age of 28 days, increased water absorption.
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является двухфазная смесь на основе цемента для композитов в технологии строительной 3D-печати, фаза 1 которой содержит компоненты в следующем массовом соотношении твердой фазы, %: портландцемент 44,1-44,5, песок 55,14-55,4, камедь ксантановая 0,08-0,1, тетракалий пирофосфат технический 0,08-0,1, полипропиленовая фибра 0,2-0,3; фаза 2 содержит компоненты в следующем массовом соотношении жидкой фазы, %: суперпластификатор 4,1-4,6, вода 95,4-95,9[4].The closest solution to the proposed invention is a two-phase mixture based on cement for composites in building 3D printing technology, phase 1 of which contains components in the following mass ratio of the solid phase,%: Portland cement 44.1-44.5, sand 55.14-55 .4, xanthan gum 0.08-0.1, technical tetrapotassium pyrophosphate 0.08-0.1, polypropylene fiber 0.2-0.3; phase 2 contains components in the following mass ratio of the liquid phase, %: superplasticizer 4.1-4.6, water 95.4-95.9 [4].
Недостатками данного изобретения являются повышенный расход портландцемента и суперпластификатора (1,2-1,4% от массы портландцемента), низкая формоустойчивость напечатанных слоев из сырьевой смеси, высокие усадочные деформации затвердевшего композита вследствие повышенного расхода портландцемента и применения песка, принадлежащего к группе «очень мелкий» (согласно ГОСТ 8736-2014), высокое водопоглощение, низкие показатели предела прочности при изгибе затвердевшего композита, снижение физико-механических характеристик композита при температуре свыше 140°C, вызванное плавлением полипропиленового волокна, использование в качестве модификаторов вязкости тетракалия пирофосфата и камеди ксантановой, не предназначенной для использования в качестве добавок для бетонов и растворов (по ГОСТ 24211-2008). Также недостатком изобретения является отсутствие данных о влажности компонентов сырьевой смеси, влияющие на реологические и физико-механические свойства композитов, а также отсутствие данных об осуществлении данного изобретения на 3D-принтере, реализующем метод послойного экструдирования и качестве получаемых изделий. Кроме того, недостатком является используемый в изобретении способ подготовки образцов, заключающийся в их изготовлении в формах 70х70х70 мм, 70х70х280 мм, в то время как технология строительной 3D-печати исключает применение форм, что приводит к изменению поровой структуры композита и искажению получения достоверных результатов физико-механических свойств (прочность на сжатие и растяжение, плотность, водопоглощение и др.).The disadvantages of this invention are the increased consumption of Portland cement and superplasticizer (1.2-1.4% by weight of Portland cement), low dimensional stability of the printed layers from the raw mix, high shrinkage deformation of the hardened composite due to increased consumption of Portland cement and the use of sand belonging to the group "very fine » (according to GOST 8736-2014), high water absorption, low flexural strength of the hardened composite, reduction in the physical and mechanical characteristics of the composite at temperatures above 140°C, caused by the melting of polypropylene fiber, the use of tetrapotassium pyrophosphate and xanthan gum as viscosity modifiers, not intended for use as additives for concretes and mortars (according to GOST 24211-2008). Also, the disadvantage of the invention is the lack of data on the moisture content of the components of the raw mixture, which affect the rheological and physico-mechanical properties of the composites, as well as the lack of data on the implementation of this invention on a 3D printer that implements the method of layer-by-layer extrusion and the quality of the products obtained. In addition, the disadvantage is the method used in the invention for preparing samples, which consists in their manufacture in the forms of 70x70x70 mm, 70x70x280 mm, while the construction 3D printing technology excludes the use of forms, which leads to a change in the pore structure of the composite and a distortion in obtaining reliable results of physical - mechanical properties (compressive and tensile strength, density, water absorption, etc.).
Задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода портландцемента, суперпластификатора в строительной смеси для 3D-печати, повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из строительной смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, снижение усадочных деформаций, водопоглощения, повышение предела прочности при изгибе затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм).The objective of the invention is to reduce the consumption of Portland cement, a superplasticizer in a building mix for 3D printing, increase dimensional stability and ensure the absence of defects in the form of ruptures in printed layers from a building mix with the possibility of extruding it on building 3D printers that implement the method of layer-by-layer extrusion, reducing shrinkage deformations, water absorption, increasing the flexural strength of hardened composites printed on a 3D printer (without the use of molds).
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение расхода портландцемента и суперпластификатора в строительной смеси, повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из строительной смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, снижение усадочных деформаций, водопоглощения, повышение предела прочности при изгибе затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм).The technical result of the proposed solution is to reduce the consumption of Portland cement and superplasticizer in the building mixture, increase dimensional stability and ensure the absence of defects in the form of breaks in printed layers from the building mixture with the possibility of extruding it on building 3D printers that implement the layer-by-layer extrusion method, reduce shrinkage deformations, water absorption, increase flexural strength of hardened composites printed on a 3D printer (without the use of molds).
Поставленная задача достигается тем, что строительная смесь на основе цемента для 3D-печати, включающая портландцемент, песок, суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров и воду, отличающаяся тем, что используют портландцемент, содержащий, мас.%: трехкальциевый силикат 68,1, трехкальциевый алюминат 7,2, в качестве песка используют кварцевый песок с модулем крупности 2,2-2,4 и влажностью 1-2%, в качестве суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров используют суперпластификатор «MasterGlenium 430», и дополнительно она содержит полифенилэтоксисилоксан «ФЭС-50» и тонкомолотый пуццолановый компонент – бинарную смесь из биокремнезема с гидравлической активностью не менее 1400 мг/г, степенью помола не менее 1100 м2/кг и метакаолина с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг, при следующем содержании компонентов, мас.%:The task is achieved by the fact that the mortar based on cement for 3D printing, including Portland cement, sand, superplasticizer based on polycarboxylate esters and water, characterized in that Portland cement is used, containing, wt.%: tricalcium silicate 68.1, tricalcium aluminate 7.2, quartz sand with a fineness modulus of 2.2-2.4 and a moisture content of 1-2% is used as sand, MasterGlenium 430 superplasticizer is used as a superplasticizer based on polycarboxylate esters, and additionally it contains FES-50 polyphenylethoxysiloxane "and finely ground pozzolanic component - a binary mixture of biosilica with a hydraulic activity of at least 1400 mg / g, a grinding degree of at least 1100 m 2 / kg and metakaolin with a hydraulic activity of at least 1200 mg / g, a grinding degree of at least 2000 m 2 / kg , with the following content of components, wt.%:
Для изготовления строительной смеси на основе цемента для 3D-печати использовали следующие материалы:The following materials were used to produce a cement-based mortar for 3D printing:
Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: С3S - 68,1 %, С2S - 9,4 %, С3А - 7,2 %, С4AF - 11 %;Portland cement CEM I 42.5N produced by Asia Cement LLC (GOST 31108-2016) with the following mineralogical composition: C 3 S - 68.1%, C 2 S - 9.4%, C 3 A - 7.2%, C 4 AF - 11%;
Кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 2,2-2,4, влажностью 1-2 % (ГОСТ 8736-2014). Для приготовления образцов использовали песок с модулем крупности 2,3, с влажностью 1,5%;Quartz sand of the Kamsko-Ustyinsky deposit of the Republic of Tatarstan with a fineness modulus of 2.2-2.4, moisture content of 1-2% (GOST 8736-2014). To prepare the samples, sand with a fineness modulus of 2.3 and a moisture content of 1.5% was used;
Суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров «MasterGlenium 430» производства ООО «BASF Строительные системы», представляющий собой жидкость светло-коричневого цвета без содержания хлоридов, плотностью при 20°C 1,06 г/см3, pH - 3,5;Superplasticizer based on polycarboxylate esters "MasterGlenium 430" manufactured by LLC "BASF Building Systems", which is a light brown liquid without chloride content, density at 20°C 1.06 g/cm 3 , pH - 3.5;
Тонкомолотый пуццолановый компонент – биокремнезем с гидравлической активностью не менее 1400 мг/г, степенью помола не менее 1100 м2/кг производства ООО «Диамикс» (СТО 23998461-020-2018). Для приготовления образцов использовали биокремнезем с гидравлической активностью 1443 мг/г, степенью помола 1186 м2/кг;The finely ground pozzolanic component is biosilica with a hydraulic activity of at least 1400 mg/g, a grinding degree of at least 1100 m 2 /kg produced by Diamix LLC (STO 23998461-020-2018). Samples were prepared using biosilica with a hydraulic activity of 1443 mg/g, a grinding degree of 1186 m 2 /kg;
Тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг (ТУ 5729-098-12615988-2013). Для приготовления образцов использовали метакаолин с гидравлической активностью 1232,7 мг/г, степенью помола 2068 м2/кг;The finely ground pozzolanic component is metakaolin with a hydraulic activity of at least 1200 mg/g, a grinding degree of at least 2000 m 2 /kg (TU 5729-098-12615988-2013). The samples were prepared using metakaolin with a hydraulic activity of 1232.7 mg/g and a grinding degree of 2068 m 2 /kg;
Полифенилэтоксисилоксан «ФЭС-50» производства ПАО «Химпром», представляющий собой жидкость коричневого цвета плотностью 0,8 г/см3 при 20°C;Polyphenylethoxysiloxane "FES-50" produced by PJSC "Khimprom", which is a brown liquid with a density of 0.8 g/cm 3 at 20°C;
Водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.Tap drinking water that meets the requirements of GOST 23732.
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты строительной смеси – портландцемент, песок, биокремнезем, метакаолин и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды, суперпластификатора «MasterGlenium 430», полифенилэтоксисилоксана, производят их перемешивание до получения однородного раствора и постепенно добавляют его к тщательно перемешанным сухим компонентам, осуществляя перемешивание смеси до получения однородной массы с подвижностью Пк 2 (по ГОСТ 28013-98) при глубине погружения эталонного конуса 7-8 см. На следующем этапе производят подготовку 3D-принтера: внутреннюю поверхность съемного накопительного бункера смачивают водопроводной питьевой водой или разделительной смазкой. Далее заполняют съемный накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной строительной смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата. Затем осуществляют формование строительной смеси методом послойного экструдирования (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью. Трехмерная цифровая модель образцов представляет собой полосу длиной 40 см, высотой одного слоя 20 мм. Печать строительной смеси производят при следующих регулируемых параметрах печати, задаваемых в программном комплексе «Mach3» (Artsoft founder Art Fenerty): скорость вращения шпинделя составляет 3000-5000 ед., скорость подачи – 4000-6000 ед/мин.The proposed invention is carried out as follows: pre-dosed dry components of the building mix - Portland cement, sand, biosilica, metakaolin are loaded into a working mixer and mixed until a homogeneous mass is obtained. Then, water, superplasticizer "MasterGlenium 430", polyphenylethoxysiloxane are dosed by weight, they are mixed until a homogeneous solution is obtained and it is gradually added to the thoroughly mixed dry components, stirring the mixture until a homogeneous mass is obtained with mobility Pk 2 (according to GOST 28013-98) at an immersion depth of the reference cone of 7-8 cm. At the next stage, the 3D printer is prepared: the inner surface of the removable storage bin is moistened with drinking tap water or a release agent. Next, the removable storage hopper of the construction 3D printer is filled with the prepared construction mixture and test extrusion is carried out until the resulting extrudate is homogeneous. Then, the construction mixture is molded by layer-by-layer extrusion (3D printing) on a construction 3D printer (for example, AMT S-6044 of SPETSAVIA LLC) in accordance with a pre-prepared three-dimensional digital model. The three-dimensional digital model of the samples is a strip 40 cm long, with a single layer height of 20 mm. The building mixture is printed with the following adjustable printing parameters set in the Mach3 software package (Artsoft founder Art Fenerty): the spindle speed is 3000-5000 units, the feed rate is 4000-6000 units / min.
Формоустойчивость напечатанных слоев из строительной смеси оценивалась по способности смеси сохранять положение в пространстве под воздействием технологических факторов, а именно по максимальной высоте печатаемого образца без технологических перерывов до достижения им критического состояния – потери устойчивости в целом, характеризующаяся его опрокидыванием или потерей устойчивости формы образца со смещением напечатанных слоев.The shape stability of the printed layers from the building mixture was evaluated by the ability of the mixture to maintain its position in space under the influence of technological factors, namely, by the maximum height of the printed sample without technological interruptions until it reaches a critical state - the loss of stability as a whole, characterized by its overturning or loss of stability of the sample shape with displacement printed layers.
Также были проведены испытания образцов по прототипу с использованием портландцемента ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108-2016, песка с модулем крупности меньше или равным 1,25 по ГОСТ 8736-2014, камеди ксантановой с содержанием (C35Н49О29)n не менее 91%, тетракалия пирофосфата технического с содержанием К4Р2О5 не менее 98%, полипропиленовой фибры длиной 12 мм, суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров, воды.Samples were also tested according to the prototype using Portland cement CEM I 42.5N according to GOST 31108-2016, sand with a fineness modulus less than or equal to 1.25 according to GOST 8736-2014, xanthan gum containing (C 35 H 49 O 29 ) n not less than 91%, technical tetrapotassium pyrophosphate with a content of K 4 P 2 O 5 not less than 98%, polypropylene fiber 12 mm long, superplasticizer based on polycarboxylate ethers, water.
Через 28 суток нормального твердения производили подготовку образцов для испытаний, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати), путем их распила на призмы размерами 40х40х160 мм. Водопоглощение затвердевшего композита определяли по ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения». Предел прочности при изгибе затвердевшего композита определяли на образцах-балочках размерами 40х40х160 мм по ГОСТ 5802-86. «Растворы строительные. Методы испытаний» с использованием испытательной машины МИИ-100. Усадочные деформации оценивались по наличию образования на затвердевших композитах усадочных трещин, наличие дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из строительной смеси производилось визуально-инструментальным методом с использованием измерительной металлической линейки по ГОСТ 427-75 и измерительной лупы с подсветкой по ГОСТ 25706-83.After 28 days of normal hardening, samples were prepared for testing, molded by layer-by-layer extrusion (3D printing), by sawing them into 40x40x160 mm prisms. The water absorption of the hardened composite was determined according to GOST 12730.3-78 “Concrete. Method for determining water absorption. The flexural strength of the hardened composite was determined on beam specimens 40x40x160 mm in size according to GOST 5802-86. "Construction solutions. Test Methods” using the MII-100 testing machine. Shrinkage deformations were assessed by the presence of shrinkage cracks on the hardened composites, the presence of defects in the form of ruptures in the printed layers of the building mixture was carried out by a visual-instrumental method using a measuring metal ruler according to GOST 427-75 and a measuring magnifier with illumination according to GOST 25706-83.
Составы строительных смесей на основе цемента для 3D-печати приведены в таблице 1, физико-механические показатели для составов приведены в таблице 2.The compositions of building mixtures based on cement for 3D printing are shown in Table 1, the physical and mechanical parameters for the compositions are shown in Table 2.
Таблица 1Table 1
Таблица 2table 2
Из приведенных данных следует, что максимальные показатели формоустойчивости напечатанных слоев из строительной смеси, предела прочности при изгибе затвердевших композитов достигаются при содержании в составе строительной смеси портландцемента - 20,0-23,0 % от общей массы композиции, песка - 60,13-63,34 %, суперпластификатора «MasterGlenium 430» - 0,20-0,23 %, тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема - 2,0-2,3 %, тонкомолотого пуццоланового компонента - метакаолина - 2,0-2,3 %, полифенилэтоксисилоксана «ФЭС-50» - 0,010-0,011 %, воды - 12,029-12,450 %. При введении портландцемента, суперпластификатора «MasterGlenium 430», тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема, тонкомолотого пуццоланового компонента - метакаолина, полифенилэтоксисилоксана «ФЭС-50», в количестве меньше указанных в таблице 1 (состав 5), наблюдается снижение показателей исследуемых свойств по сравнению с заявляемыми пределами. При их введении, в количестве больше указанных в таблице 1 (состав 7), исследуемые свойства композиций, напечатанных на 3D-принтере, снижаются или увеличиваются незначительно. В составах строительных смесей на основе цемента для строительной 3D-печати (составы 1, 5-8) отсутствуют усадочные трещины, в составах 1, 4-8 отсутствуют дефекты в виде разрывов.From the given data it follows that the maximum dimensional stability of the printed layers from the building mixture, the ultimate strength in bending of hardened composites are achieved when the content of Portland cement in the composition of the building mixture is 20.0-23.0% of the total mass of the composition, sand - 60.13-63 34%, MasterGlenium 430 superplasticizer - 0.20-0.23%, finely ground pozzolanic component - biosilica - 2.0-2.3%, finely ground pozzolanic component - metakaolin - 2.0-2.3%, polyphenylethoxysiloxane "FES-50" - 0.010-0.011%, water - 12.029-12.450%. With the introduction of Portland cement, superplasticizer "MasterGlenium 430", finely ground pozzolanic component - biosilica, finely ground pozzolanic component - metakaolin, polyphenylethoxysiloxane "FES-50", in an amount less than those indicated in table 1 (composition 5), there is a decrease in the parameters of the studied properties in comparison with the claimed outside. With their introduction, in an amount greater than those indicated in Table 1 (composition 7), the studied properties of the compositions printed on a 3D printer decrease or increase slightly. In the compositions of building mixtures based on cement for building 3D printing (compositions 1, 5-8), there are no shrinkage cracks, in compositions 1, 4-8 there are no defects in the form of gaps.
Строительная смесь на основе цемента для 3D-печати, полученная согласно предлагаемому изобретению, обладает пониженным расходом портландцемента и суперпластификатора, повышенной формоустойчивостью и отсутствием дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из строительной смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, изделия - высокими прочностными характеристиками при изгибе, отсутствием усадочных трещин, низким водопоглощением.The mortar based on cement for 3D printing, obtained according to the present invention, has a reduced consumption of Portland cement and superplasticizer, increased dimensional stability and the absence of defects in the form of breaks in printed layers from the mortar with the possibility of its extrusion on building 3D printers that implement the method of layer-by-layer extrusion, products - high strength characteristics in bending, the absence of shrinkage cracks, low water absorption.
Применение песка средней крупности с модулем крупности 2,2-2,4 в сочетании с уменьшенным цементно-песчаным отношением позволяет снизить развитие усадочных деформаций композита, сформованного методом послойного экструдирования (3D-печати). Кроме того, уменьшенное цементно-песчаное отношение позволяет снизить расход портландцемента в строительной смеси при обеспечении формуемости на 3D-принтере и физико-механических показателей.The use of sand of medium size with a fineness modulus of 2.2-2.4 in combination with a reduced cement-sand ratio makes it possible to reduce the development of shrinkage deformations of the composite molded by layer-by-layer extrusion (3D printing). In addition, a reduced cement-sand ratio makes it possible to reduce the consumption of Portland cement in the building mixture while ensuring formability on a 3D printer and physical and mechanical properties.
Применение суперпластификатора «MasterGlenium 430» на основе поликарбоксилатных эфиров в количестве 0,20-0,23 мас.% позволяет сократить количество воды затворения, повысить плотность смеси и физико-механические характеристики затвердевшего композита при одновременном обеспечении оптимальных реотехнологических свойств строительной смеси для ее послойного экструдирования, обеспечивающих также высокую формоустойчивость напечатанных слоев из строительной смеси.The use of "MasterGlenium 430" superplasticizer based on polycarboxylate ethers in the amount of 0.20-0.23 wt.% makes it possible to reduce the amount of mixing water, increase the density of the mixture and the physical and mechanical characteristics of the hardened composite while ensuring optimal rheotechnological properties of the building mixture for its layer-by-layer extrusion , which also provide high dimensional stability of the printed layers from the mortar.
Введение тонкомолотого пуццоланового компонента - биокремнезема со степенью помола не менее 1100 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1400 мг/г позволяет улучшить формоустойчивость напечатанных слоев из строительной смеси за счет улучшения ее однородности, связности и пластичности при послойном экструдировании (3D-печати).The introduction of a finely ground pozzolanic component - biosilica with a grinding degree of at least 1100 m 2 /kg, a hydraulic activity of at least 1400 mg / g can improve the dimensional stability of printed layers from the building mixture by improving its uniformity, cohesion and plasticity during layer-by-layer extrusion (3D printing) .
Введение тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина со степенью помола не менее 2000 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г позволяет повысить предел прочности при изгибе затвердевших композитов за счет взаимодействия с портландитом, образующимся при гидратации портландцемента, и увеличении количества новообразований из низкоосновных гидросиликатов кальция.The introduction of a finely ground pozzolanic component - metakaolin with a grinding degree of at least 2000 m 2 /kg, a hydraulic activity of at least 1200 mg/g, makes it possible to increase the flexural strength of hardened composites due to interaction with portlandite formed during the hydration of Portland cement, and an increase in the number of neoplasms from low-basic calcium hydrosilicates.
Применение бинарной смеси биокремнезема со степенью помола не менее 1100 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1400 мг/г и метакаолина со степенью помола не менее 2000 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г позволяет достичь синергетического эффекта, выражающегося в повышении формоустойчивости напечатанных слоев из строительной смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, за счет улучшения ее однородности, связности и пластичности при послойном экструдировании (3D-печати), что позволяет получать изделия на 3D-принтере без дефектов в виде разрывов, повышении предела прочности при изгибе затвердевшего композита, напечатанных на 3D-принтере.The use of a binary mixture of biosilica with a grinding degree of at least 1100 m 2 /kg, a hydraulic activity of at least 1400 mg/g and metakaolin with a grinding degree of at least 2000 m 2 /kg, a hydraulic activity of at least 1200 mg/g makes it possible to achieve a synergistic effect, expressed in increasing the dimensional stability of printed layers from a building mixture with the possibility of extruding it on building 3D printers that implement the layer-by-layer extrusion method, by improving its uniformity, coherence and plasticity during layer-by-layer extrusion (3D printing), which makes it possible to obtain products on a 3D printer without defects in the form of gaps, increased flexural strength of the hardened composite, printed on a 3D printer.
Применение эфира полифенилэтоксисилоксана «ФЭС-50» в количестве 0,010-0,011 мас.% позволяет снизить водопоглощение затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм), за счет придания стенкам капилляров и пор водоотталкивающей способности.The use of polyphenylethoxysiloxane ether "FES-50" in the amount of 0.010-0.011 wt.% makes it possible to reduce the water absorption of hardened composites printed on a 3D printer (without the use of molds) by making the capillary walls and pores water-repellent.
Совместное использование суперпластификатора «MasterGlenium 430» в количестве 0,20-0,23 мас.%, бинарной смеси биокремнезема со степенью помола не менее 1100 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1400 мг/г и метакаолина со степенью помола не менее 2000 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г в количестве 4,0-4,6 мас.% и полифенилэтоксисилоксана «ФЭС-50» в количестве 0,010-0,011 мас.% способствует приданию строительной смеси оптимальных реотехнологических свойств, повышению формоустойчивости напечатанных слоев из строительной смеси, физико-механических показателей (повышение предела прочности при изгибе, снижение водопоглощения) затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере.Joint use of the superplasticizer "MasterGlenium 430" in the amount of 0.20-0.23 wt.%, a binary mixture of biosilica with a grinding degree of at least 1100 m 2 /kg, a hydraulic activity of at least 1400 mg/g and metakaolin with a grinding degree of at least 2000 m 2 /kg, hydraulic activity of at least 1200 mg/g in the amount of 4.0-4.6 wt.% and polyphenylethoxysiloxane "FES-50" in the amount of 0.010-0.011 wt.% contributes to giving the building mixture optimal rheotechnological properties, increasing dimensional stability printed layers from a building mixture, physical and mechanical properties (increased flexural strength, reduced water absorption) of hardened composites printed on a 3D printer.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет получить строительную смесь на основе цемента для 3D-печати методом послойного экструдирования с пониженным расходом портландцемента и суперпластификатора, обладающую высокой формоустойчивостью, и изделия на ее основе с высокими прочностными характеристиками при изгибе, низким водопоглощением, пониженными усадочными деформациями и отсутствием на них дефектов.Thus, the proposed solution makes it possible to obtain a mortar based on cement for 3D printing by layer-by-layer extrusion with a reduced consumption of Portland cement and superplasticizer, which has high dimensional stability, and products based on it with high bending strength characteristics, low water absorption, reduced shrinkage deformations and the absence of defects on them.
Источники информации:Sources of information:
1. Патент CN 105753404 A, B33Y 70/00, Cement-based material used for building 3D (three-dimensional) printing, заяв. 13.02.2016, опубл. 13.07.2016.1. Patent CN 105753404 A, B33Y 70/00, Cement-based material used for building 3D (three-dimensional) printing, Appl. 02/13/2016, publ. 07/13/2016.
2. Патент CN 108715531 A, C04B 28/02, A kind of high thixotropic 3D printing concrete and preparation method thereof, заяв. 12.06.2018, опубл. 28.08.2020.2. Patent CN 108715531 A, C04B 28/02, A kind of high thixotropic 3D printing concrete and preparation method thereof, Appl. 06/12/2018, publ. 08/28/2020.
3. Патент RU 2661970, С04В 28/04, C04В 14/02, С04В 22/08, С04В 26/00, С04В 2111/20, С04В 2111/343, Модифицированный полимерцементный композиционный материал для 3D-печати, Полуэктова В.А., Шаповалов Н.А., Черников Р.О., Евтушенко Е.И., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет», заяв. 31.07.2017, опубл. 23.07.2018, бюл. №21.3. Patent RU 2661970, С04В 28/04, С04В 14/02, С04В 22/08, С04В 26/00, С04В 2111/20, С04В 2111/343, Modified polymer-cement composite material for 3D printing, Poluektova V.A. , Shapovalov N.A., Chernikov R.O., Evtushenko E.I., Patent holder Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Belgorod State Technological University", App. 07/31/2017, publ. 07/23/2018, bul. No. 21.
4. Патент RU 2729086, С04В 28/04, Двухфазная смесь на основе цемента для композитов в технологии строительной 3D-печати, Славчева Г.С., Аратмонова О.В., Шведова М.А., Бритвина Е.А., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет», заяв. 21.10.2019, опубл. 04.08.2020, бюл. №22.4. Patent RU 2729086, С04В 28/04, Two-phase mixture based on cement for composites in construction 3D printing technology, Slavcheva G.S., Aratmonova O.V., Shvedova M.A., Britvina E.A., patentee Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Voronezh State Technical University", bid. 10/21/2019, publ. 08/04/2020, bul. No. 22.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777887C1 true RU2777887C1 (en) | 2022-08-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467968C1 (en) * | 2011-03-14 | 2012-11-27 | Роман Ринатович Сахибгареев | Complex additive for concrete, mortar and cement composites (versions) and method of producing said additive |
| RU2729086C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-08-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" | Two-phase mixture based on cement for composites in construction 3d printing technology |
| CN108715531B (en) * | 2018-06-12 | 2020-08-28 | 中铁四局集团有限公司 | High-thixotropy 3D printing concrete and preparation method thereof |
| RU2734812C2 (en) * | 2016-06-22 | 2020-10-23 | Холсим Технологи Лтд | Real-time control of rheological properties of construction material for 3d printing |
| WO2021152169A1 (en) * | 2020-02-01 | 2021-08-05 | Celanese Switzerland Ag | Cementitious composition additive for machine application |
| RU2762841C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-12-23 | Общество с ограниченной ответственностью «ЗД-СТРОЙДИЗАЙН» | Mixture for producing decorative composite in predetermined colour scheme in construction 3d printing technology and method for production thereof |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467968C1 (en) * | 2011-03-14 | 2012-11-27 | Роман Ринатович Сахибгареев | Complex additive for concrete, mortar and cement composites (versions) and method of producing said additive |
| RU2734812C2 (en) * | 2016-06-22 | 2020-10-23 | Холсим Технологи Лтд | Real-time control of rheological properties of construction material for 3d printing |
| CN108715531B (en) * | 2018-06-12 | 2020-08-28 | 中铁四局集团有限公司 | High-thixotropy 3D printing concrete and preparation method thereof |
| RU2729086C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-08-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" | Two-phase mixture based on cement for composites in construction 3d printing technology |
| WO2021152169A1 (en) * | 2020-02-01 | 2021-08-05 | Celanese Switzerland Ag | Cementitious composition additive for machine application |
| RU2762841C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-12-23 | Общество с ограниченной ответственностью «ЗД-СТРОЙДИЗАЙН» | Mixture for producing decorative composite in predetermined colour scheme in construction 3d printing technology and method for production thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МУХАМЕТРАХИМОВ Р.Х. и др. Влияние портландцементов с различным минералогическим составом на основные свойства композитов, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати), Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, Казань, 2021, N2 (56), с. 37 - 49. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Şahmaran et al. | The effect of chemical admixtures and mineral additives on the properties of self-compacting mortars | |
| Sakthieswaran et al. | Effect of superplasticizers on the properties of latex modified gypsum plaster | |
| RU2681166C1 (en) | Autoclaved aerated concrete product, method of its manufacture, mixture for its manufacture and method of manufacture of mixture | |
| RU2777887C1 (en) | Building mixture based on cement for 3d printing | |
| RU2780315C1 (en) | Building mixture for 3d printer | |
| RU2781163C1 (en) | Raw material mixture for additive construction production by material extrusion | |
| RU2781303C1 (en) | Modified construction mix for 3d printer | |
| RU2775131C1 (en) | Cement-based concrete mixture for construction 3d printing | |
| RU2781200C1 (en) | Construction mixture for additive manufacturing | |
| RU2780314C1 (en) | Modified cement-based construction mix for 3d printing | |
| RU2777886C1 (en) | Modified building mixture for 3d printing | |
| RU2780276C1 (en) | Cement-based raw mix for construction 3d printing | |
| RU2786198C1 (en) | Raw material mixture for 3d printer extrusion | |
| RU2777224C1 (en) | Concrete mix for construction 3d printing | |
| RU2775032C1 (en) | Modified concrete mixture for construction 3d printing | |
| RU2782914C1 (en) | Raw mixture for construction 3d printing | |
| RU2777220C1 (en) | Concrete mixture for extrusion on a 3d printer | |
| RU2777223C1 (en) | Modified raw mixture for extrusion on a 3d printer | |
| RU2773913C1 (en) | Building mixture for 3d printing | |
| RU2777007C1 (en) | Modified raw mixture for construction 3d printing in the technology of additive manufacturing | |
| RU2781203C1 (en) | Raw material mixture for additive construction production | |
| RU2777888C1 (en) | Modified building mixture for a 3d printer implementing the layered extrusion method | |
| RU2780512C1 (en) | Modified concrete mixture for 3d printer extrusion | |
| RU2778119C1 (en) | Modified raw blend for 3d printing | |
| RU2773914C1 (en) | Building raw mixture for 3d printing |