Мелкозернистые бетоны в технологии аддитивного производства (3D-печати)

Целью диссертационной работы является разработка научно - обоснованного технологического решения, обеспечивающего совершенствование аддитивного производства в строительстве за счет модификации состава мелкозернистых бетонных смесей комплексом активных минеральных и химических добавок. Задачи диссертационного исследования: 1. Определить требования к реотехнологическим свойствам смесей, обладающих формуемостью методом послойной экструзии (3D-печати). 2. Разработать базовые составы бетонной смеси, формуемые методом послойной экструзии (3D-печати), на основе различных видов портландцементов, кварцевого песка с различным модулем крупности и воды. 3. Модифицировать базовые составы бетонной смеси минеральными и хи-мическими добавками для улучшения формоустойчивости напечатанных слоев, ускорения начального структурообразования, физико-механических характеристик композитов (повышенная плотность, прочность, пониженное водопоглощение). 4. Изучить особенности формирования микро - и макроструктуры базового и модифицированного состава бетона, сформованного методом послойной экструзии (3D-печати). 5. Провести апробацию разработанных составов бетонов для 3D-печати, разработать основные положения организации и осуществления контроля качества возведения строительной продукции методом послойной экструзии (3D-печати), устанавливающие состав операций и средства контроля при производстве работ. 6. Разработать технологическое решение аддитивного производства строительной продукции из мелкозернистой бетонной смеси, позволяющее осуществлять более продолжительные по времени технологические перерывы без образования холодных швов с повышенной адгезией напечатанных слоев. 7. Выполнить экспериментальное и технико-экономическое обоснование аддитивных технологических процессов при моделировании и создании строительной продукции. Научная новизна работы. 1. Установлено, что введение исследуемых минеральных добавок (диатомит, микрокремнезем, биокремнезем, волластонит, каолин, метакаолин) со средним размером частиц 0,5-3 мкм в количестве 10-20% от массы портландцемента в мелкозернистые бетонные смеси (Ц:П=1:3, марка по подвижности Пк 3) приводит к интенсификации флокуляционного и коллоидного характера взаимодействия между твердыми частицами в системе, что выражается в повышении связанности смеси, улучшении формуемости и формоустойчивости (до 81,8%) при послойной экструзии (3D-печати). 2 Установлено, что снижение величины предельного напряжения сдвига бетонной смеси, определенной на границе гравитационной растекаемости с 208 до 74 Па, при сохранении марки по подвижности Пк 2, достигаемое модификацией мелкозернистого бетона разработанным органо-минеральным комплексом, включающим сополимер на основе полиоксиэтиленовых производных ненасыщенных карбоновых кислот и метакаолин, обеспечивает улучшение формуемости, повышение формоустойчивости слоев до 55% и предела прочности на сжатие мелкозернистых бетонов до 39% при формовании методом послойной экструзии (3Dпечати). 3. Установлено, что введение бинарных активных минеральных (биокремнезем + каолин, биокремнезем + метакаолин) и химических добавок на основе нафталинсульфонат натрия, эфира полисилоксана, полифенилэтоксисилоксана, сополимера на основе полиоксиэтиленовых производных ненасыщенных карбоновых кислот в рецептуру мелкозернистого бетона, сформованного методом послойной экструзии (3D-печати), приводит к формированию более плотной (снижение полного объема пор на 6,5-10,3%, открытых капиллярных пор – на 5,7-23,9%, открытых некапиллярных пор – на 33,2-79,0%, увеличению условнозакрытых пор на 0,5-57,0%, показателя микропористости – на 58,1-280,6%) и однородной структуры (определенной методом РКТ, характеризуемой более равномерным распределением пор по объему композита), обеспечивающей повышенные физико-механические свойства. 4. Выявлено, что геометрические отклонения длины печатаемого изделия, представляющего собой многослойные полосы, от проектного значения выражаются линейной зависимостью величины предельного напряжения сдвига мелкозернистой бетонной смеси, описываемой Δl=-0,5276∙τ0+168,31. 5. Впервые разработано технологическое решение аддитивного производства строительной продукции из мелкозернистой бетонной смеси, позволяющее осуществлять более продолжительные по времени технологические перерывы (до 12 ч) без снижения адгезии напечатанных слоев за счет устройства модифицированного переходного слоя, печатаемого до технологического перерыва, включающего повышенное содержание кремнийорганического соединения, замедляющего процесс структурообразования бетона. Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Предложен научно-обоснованный подход к разработке составов мелкозернистых бетонов марки по подвижности Пк 2 на основе портландцемента классов В30 ÷ В40, обеспечивающих повышенную формоустойчивость и прочность при формовании методом послойной экструзии (3D-печати), основанный на модифицировании структуры композитов эффективными органо-минеральными комплексами, включающими активную минеральную добавку, кремнийорганическое соединение и модификатор вязкости – пластифицирующую добавку. 2. Распространены представления об эффективности влияния комплексных добавок, включающих нафталинсульфонат натрия, эфир полисилоксана и минеральные добавки (каолин, метакаолин, биокремнезем) на состав продуктов твердения, структуру и свойства мелкозернистых цементных бетонов, формуемых методом послойной экструзии (3D-печати). 3. Разработаны рецептуры оптимальных составов мелкозернистых бетонов классов В30 ÷ В40, формуемых методом послойной экструзии (3D-печати), с оптимальными реотехнологическими характеристиками, повышенными физикомеханическими свойствами изделий на их основе. 4. Разработаны принципиальные технологические схемы производства строительной продукции из мелкозернистой бетонной смеси методом послойной экструзии (3D-печати): «стандартная» и «с увеличенной продолжительностью технологического перерыва», обеспечивающая высокую адгезию слоев при более продолжительных по времени технологических перерывах в процессе 3D-печати. 5. Разработаны основные положения организации и осуществления контроля качества возведения строительной продукции методом послойной экструзии (3D-печати), устанавливающие состав операций и средства контроля при производстве работ. 6. Разработан технологический регламент, определяющий последовательность, состав работ и нормы времени строительных работ по осуществлению 3Dпечати бетоном методом послойной экструзии с применением строительного 3Dпринтера «AMT S-6044». 7. Разработана технологическая карта на возведение малой архитектурной формы из бетона с применением строительного 3D-принтера «AMT S-6044». Положения, выносимые на защиту: 1. Зависимости реотехнологических характеристик растворных и мелкозернистых бетонных смесей от их состава, формуемых методом послойной экструзии (3D-печати), от их состава. 2. Закономерности влияния минеральных, пластифицирующих, гидрофобизирующих и комплексных добавок на реотехнологические свойства мелкозернистых бетонных смесей и физико-механические характеристики затвердевших композитов, формуемых методом послойной экструзии (3D-печати). 3. Результаты оптических, дифференциально-термических, рентгеноструктурных исследований структуры модифицированного цементного камня и мелкозернистого бетона, формуемого методом послойной экструзии (3D-печати). 4. Разработанный способ аддитивного производства строительной продукции методом 3D-печати, обеспечивающий исключение образования холодных швов в более длительном временном интервале, достигаемое модифицированием состава мелкозернистой бетонной смеси. 5. Разработанная система контроля качества возведения строительной продукции методом 3D-печати.