Научные и технологические основы управления структурой и свойствами бетонов, формуемых методом аддитивного строительного производства (3D-печати)

Цель диссертационной работы: - разработка научных и технологических основ управления структурой и свойствами цементных и гипсоцементно-пуццолановых бетонов, формуемых методом аддитивного строительного производства (3D-печати); - разработка научно обоснованных технологических решений совершенствования аддитивного строительного производства за счет возможности осуществления длительных технологических перерывов и их регулирования с обеспечением высокой адгезии слоев. Задачи диссертационной работы: 1. Изучить и проанализировать опыт аддитивного производства строительной продукции в стране и за рубежом, установить наиболее перспективные направления его развития. 2. Выполнить анализ известных и разработку уточненных требований к выбору сырья и добавок для производства эффективных бетонов, формуемых методом 3D-печати, а также к параметрам аддитивного строительного производства. 3. Исследовать предпосылки теоретических и технологических основ аддитивного строительного производства бетоном методом послойной экструзии. Установить научно обоснованные базовые требования к основным технологическим свойствам бетонов, формуемых методом 3D-печати, и определить методы управления ими. 4. Разработать научные и технологические основы управления структурой и свойствами мелкозернистых цементных бетонов, формуемых методом аддитивного строительного производства (3D-печати). 5. Установить закономерности структурообразования и свойств гипсоцементно-пуццолановых бетонов, формуемых методом 3D-печати, от рецептурно-технологических факторов и разработать базовые составы мелкозернистых бетонов, адаптированные для применения в технологии аддитивного строительного производства. 6. Разработать научно обоснованное технологическое решение по увеличению продолжительности перерывов в процессе 3D-печати с обеспечением высокой адгезии печатаемых слоев. 7. Разработать научно обоснованное технологическое решение по совершенствованию аддитивного строительного производства регулированием продолжительности перерывов в процессе 3D-печати бетонной смесью с замедленной кинетикой набора пластической прочности. 8. Осуществить лабораторно-технологическую апробацию производства строительной продукции методом аддитивного строительного производства, определить ее технико-экономическую эффективность, разработать классификацию дефектов бетонов и растворов, формуемых методом 3D-печати и параметры контроля качества. 9. Оптимизировать технологические параметры аддитивного строительного производства путем разработки научно обоснованного подхода, основанного на изучении напряженно-деформированного состояния напечатанных слоев, обеспечивающего прогнозирование процессов развития их деформаций, для получения конструкций с геометрическими отклонениями в пределах нормативных значений. 10. Разработать нормативно-техническую документацию для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Научная новизна работы. По специальности 2.1.5.: 1. Предложен научно-обоснованный подход к разработке составов модифицированных мелкозернистых цементных бетонов классов В25-В40 и гипсоцементно-пуццолановых бетонов классов В15-В22,5 для 3D-печати, основанный на установленных закономерностях влияния различных рецептурных факторов (соотношение компонентов смеси, вид и содержание заполнителя, минеральных, пластифицирующих и гидрофобизирующих добавок) на реотехнологические свойства (предельное напряжение сдвига, пластическая прочность, подвижность, формоустойчивость) мелкозернистых цементных и гипсоцементно-пуццолановых бетонных смесей и физико-технические свойства бетонов на их основе, формуемых методом аддитивного строительного производства. 2. Выявлено, что при введении в состав ГЦПБС комплексной добавки, состоящей из водного раствора поликарбоксилатного эфира, сополимера на основе эфиров карбоновых кислот с добавлением фосфатного компонента, гомогенной смеси олигоэтоксисилоксанов, возникает эмерджентность, обеспечивающая водостойкость композитов, повышение пределов прочности при сжатии мелкозернистых гипсоцементно-пуццолановых бетонов, формуемых методом аддитивного производства, на величину до 39 %, формоустойчивости – до 44 % по сравнению с контрольным составом. Механизм эмерджентности обусловлен возникновением на поверхности частиц вяжущего дзета-потенциала, создаваемого молекулами сополимера на основе эфиров карбоновых кислот с добавлением фосфатного компонента, дополняющегося стерическим эффектом от действия боковых цепей водного раствора поликарбоксилатного эфира и взаимным отталкиваем частиц вяжущего между собой и от молекул воды, обеспечиваемым гидрофобными группами гомогенной смеси олигоэтоксисилоксанов, приводящим к увеличению диспергации частиц вяжущего и обуславливающим значительное снижение его водопотребности при одновременном замедлении кинетики начального структурообразования смеси, а также возрастание показателей прочности и водостойкости готовых изделий. 3. Установлены закономерности формирования структуры и свойств цементных МЗБ переходного слоя, модифицированных комплексными добавками, включающими ГД на основе натрийметилсилантриола в количестве 0,1-0,4% от массы вяжущего, ПД на основе нафталинсульфоната натрия в количестве 1% от массы вяжущего, бинарную смесь метакаолина и диатомита (1/1) в количестве 20% от массы вяжущего, с увеличенной продолжительностью индукционного периода гидратирующей системы за счет значительного удлинения сроков начала ее схватывания на 98-513 мин, конца схватывания – на 108-492 мин по сравнению с базовым составом МЗБ, что обеспечивает улучшение адгезионного взаимодействия за счет наличия жидкой фазы и свободных функциональных групп на границе раздела слоев, печатаемых до и после технологического перерыва, достигаемое совместимостью адгезива и субстрата. По специальности 2.1.7.: 4. Впервые предложено и научно обосновано технологическое решение по устройству в процессе 3D-печати переходного слоя из модифицированной МЗБС, укладываемого до технологического перерыва, позволяющее увеличить его продолжительность с обеспечением высокой адгезии печатаемых слоев, значения которой выше на 3%, 15%, 62% и 236% при продолжительности технологических перерывов 3 ч, 6 ч, 9 ч и 12 ч соответственно по сравнению с базовым составом МЗБ, печатаемым без переходного слоя. 5. Научно обосновано технологическое решение по совершенствованию технологии аддитивного строительного производства регулированием продолжительности перерывов в процессе 3D-печати, основанное на ускорении процессов структурообразования и твердения переходного слоя (увеличение средней скорости набора пластической прочности в 5,4-7,3 раза) за счет воздействия на него электрического поля при пропускании через него тока (электродный прогрев), что позволят управлять продолжительностю технологического перерыва в широком временном интервале (3-12 ч) при обеспечении высоких показателей адгезии переходного и базового слоев (1,2-1,3 МПа) и, соответственно, качества готовой строительной продукции. 6. Разработан подход по прогнозированию процессов развития деформаций напечатанных слоев, основанный на изучении их напряженно-деформированного состояния, позволяющий оптимизировать технологические параметры аддитивного строительного производства (скорость наращивания слоев, необходимость технологических перерывов) для получения конструкций с геометрическими отклонениями в пределах нормативных значений. 7. Впервые разработана классификация дефектов бетонов и растворов, формуемых методом 3D-печати, образующихся при формовании, твердении, эксплуатации, и предложен состав операций и средств входного, операционного и приемочного контроля качества при возведении строительной продукции методом аддитивного строительного производства. Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Развиты теоретические представления о принципах управления структурообразованием и свойствами цементных и гипсоцементно-пуццолановых бетонных смесей и бетонов, формуемых методом аддитивного производства (3D-печати) на различных структурных уровнях и технологических этапах производства за счет рационального подхода к выбору вида и количества вяжущих, заполнителей, активных минеральных и химических добавок, воды, обеспечивающих оптимальные реотехнологические свойства сырьевой смеси, формование сырца с заданной структурой и получение затвердевших композитов с заданными свойствами. 2. Разработан способ аддитивного строительного производства, обеспечивающий улучшенное адгезионное взаимодействие слоев при длительных перерывах в 3D-печати (до 12 часов), основанный на укладке переходного слоя, модифицированного разработанной комплексной добавкой, которая улучшает протекание диффузионных, химических и адсорбционных процессов в смежных слоях, печатаемых до и после технологического перерыва. 3. Разработаны рецептуры модифицированного цементного бетона (плотностью 2000-2500 кг/м3), формуемого методом аддитивного строительного производства (3D-печати), характеризующиеся высокими физико-техническими показателями свойств, за счет рационального применения портландцементов с позиции минерального состава, заполнителей с позиции фракционного состава, активных минеральных и химических добавок и воды с позиции формирования оптимальных реологических свойств. 4. Разработаны рецептуры модифицированного мелкозернистого гипсоцементно-пуццоланового бетона, формуемого методом аддитивного производства (3D-печати), характеризующегося высокими физико-техническими показателями и водостойкостью за счет научно-обоснованного выбора гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, заполнителей, активных минеральных, химических добавок и воды с позиций формирования оптимальных реотехнологических свойств смеси и устойчивых структур гипсоцементно-пуццолановых композитов. 5. Усовершенствована технология аддитивного строительного производства, позволяющая осуществлять регулируемые технологические перерывы в интервале 3-12 ч (по окончании рабочего дня/смены или при другой производственной необходимости) за счет устройства разработанного авторами модифицированного переходного слоя. 6. Разработаны практические рекомендации по оптимизации технологических параметров формования бетонных изделий методом послойной экструзии (необходимость технологических перерывов, скорость экструзии, скорость перемещения сопла, геометрическая форма изделий) в зависимости от реотехнологических свойств сырьевых смесей (вязкость, предельное напряжение сдвига, подвижность). 7. Разработан СТО «Аддитивные технологии. Бетоны и растворы. Виды дефектов. Классификация» с классификацией групп дефектов бетонов и растворов, формуемых методом аддитивного производства (3D-печати), технологические карты на возведение малой архитектурной формы из бетона с применением строительного 3D-принтера, на электродный прогрев модифицированного мелкозернистого бетона в технологии аддитивного строительного производства. 8. Разработано и внедрено Изменение №6 к СП 70.13330.2012 «СНиП 3.03.01-87 Несущие и ограждающие конструкции», в результате которых впервые в нормативной базе определены требования к приемке бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, изготовленных по технологии аддитивного строительного производства. Объектами исследования являлись цементные и гипсоцементно-пуццолановые мелкозернистые бетонные смеси и бетоны в технологии 3D-печати; технологические параметры аддитивного строительного производства. Предметами исследования являлись изучение закономерностей формирования структуры цементных и гипсоцементно-пуццолановых мелкозернистых бетонов, формуемых методом 3D-печати, установление взаимосвязи структуры со свойствами исследуемых композиций и технологическими параметрами аддитивного строительного производства.