Визначення фізико-механічних характеристик бетонів для 3D-друку будівельних конструкцій

Abstract

UK: Постановка проблеми. Наразі все більшої популярності набувають методи виготовлення будівельних конструкцій та виробів за допомогою 3D-принтера. В технології 3D-друку один з основних факторів, який впливає на якість кінцевої продукції, − це склад бетонної суміші, яка застосовується. При цьому для кожного з виду виробів важливо розробити окремий склад суміші, яка володіє певними фізико-механічними властивостями. Аналіз сучасного стану розроблення і дослідження бетонів для 3D-друку конструкцій показав, що вибір матеріалів для друку залежить від функціонального призначення створюваного об’єкта та сфери його застосування. При цьому відмінна особливість бетонів, які застосовуються в практиці сучасного будівництва, полягає в тому, що кожен розробник 3D-принтера представляє свою суміш, не розкриваючи її складу. Аналіз публікацій. Основний матеріал у 3D-будівництві, − це бетон − штучний кам’яний будівельний матеріал, отримуваний в результаті формування і затвердіння раціонально підібраної і ущільненої суміші. Така суміш складається з в’яжучої речовини − цементу, великих і дрібних заповнювачів, води, а в деяких випадках і різноманітних модифікувальних добавок. Це каолінова глина, мікрокремнезем, повітряне вапно, летючий попіл, суперпластифікатори, прискорювачі твердіння та набору міцності суміші. У світовій практиці для 3D-друку конструкцій для армування бетону в склад суміші вводять різноманітну фібру, скловолокно та інші наповнювачі, які дозволяють значно підвищити міцність бетону. Нині в Дніпропетровській області в с. Братське у виробничому приміщенні налагоджено випуск дрібноштучних бетонних виробів за допомогою 3D-друку. Кафедра залізобетонних та кам’яних конструкцій ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» налагодила співробітництво з цим виробництвом, яке стосується удосконалення технології виготовлення і нанесення сумішей, а також розроблення оптимальних складів бетонів. Першим кроком такого співробітництва стало розроблення складів сумішей з різними в'яжучими і прискорювачами твердіння, які суттєво впливають на скорочення термінів тужавлення.Мета роботи − визначення фізико-механічних характеристик бетонів, з яких виготовляються конструкції на виробничому підприємстві в с. Братське; порівняння характеристик бетонів, виготовлених за допомогою 3D-друку шляхом витискування суміші через сопло, і виготовлених в формах шляхом ручного ущільнення суміші. Висновки. Встановлено, що в практиці сучасного будівництва економічно та технологічно реалізувати переваги технології 3D-друку для виготовлення окремих конструктивних елементів будівель і споруд. В результаті випробувань складів бетонів для 3D-друку конструкцій з’ясовано, що найближча марка бетону за міцністю базових зразків-кубів, які були виготовлені у формах, складає М300, азразків-кубів, відібраних із конструкцій, − М250. Установлено масштабні коефіцієнти для зразків-кубів з розмірами ребра 100, 70 і 50 мм, які були визначені відносно міцності стандартних зразків з розміром ребра 150 мм.

RU: Постановка проблемы.В настоящее время все большую популярность приобретают методы изготовления строительных конструкций и изделий с помощью 3D-принтера. В технологии 3D-печати одним из основных факторов, который влияет на качество конечной продукции, является состав бетонной смеси. При этом для каждого вида изделий важно разработать отдельный состав смеси, которая обладает определенными физико-механическими свойствами.Анализ современногосостояния разработки и исследования бетонов для 3D-печати конструкций показал, что выбор материалов для печати зависит от функционального назначения создаваемого объекта и сферы его применения. При этом отличительной особенностью бетонов, применяемых в практике современного строительства, является то, что каждый разработчик 3D-принтера представляет свою смесь, не раскрывая ее состава.Анализ публикаций. Основным материалом, применяемым в 3D-строительстве, является бетон − искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формирования и затвердевания рационально подобранной и уплотненной смеси. Такая смесь состоит из вяжущего вещества-цемента, крупных и мелких заполнителей, воды, а в некоторых случаях и различных модифицирующих добавок. Это каолиновая глина, микрокремнезем, воздушная известь, летучий пепел, суперпластификаторы, ускорители твердения и набора прочности смеси. В мировой практике для 3D-печати конструкций для армирования бетона в состав смеси вводят разнообразную фибру, стекловолокно и другие наполнители, которые позволяют значительно повысить прочность бетона. В настоящее время в Днипропетровской области в с. Братское находится производственное помещение, в котором налажен выпуск мелкоштучных бетонных изделий с помощью 3D-печати. Кафедра железобетонных и каменных конструкций ГВУЗ «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры» наладила сотрудничество с указанным производством, которое касается усовершенствования технологии изготовления и нанесения смесей, а также разработки оптимальных составов бетонов. Первым шагом такого сотрудничества является разработка составов смесей с различными вяжущими и ускорителями твердения, которые существенно влияют на сокращение сроков схватывания смесей. Цель работы − определение физико-механических характеристик бетонов, из которых изготавливаются конструкции на производственном предприятии в с. Братское, сравнение характеристик бетонов, изготовленных с помощью 3D-печати путем выдавливания смеси через сопло и изготовленых в форме путем ручного уплотнения смеси.Выводы. Установлено, что в практике современного строительства экономично и технологично реализовать преимущества технологии 3D-печати для изготовления отдельных конструктивных элементов зданий и сооружений. В результате испытаний составов бетонов для 3D-печати конструкций установлено, что ближайшая марка бетона по прочности базовых образцов-кубов, которые были изготовлены в формах, составляет М300, а образцов-кубов, отобранных из конструкций, − М250. Установлены масштабные коэффициенты для образцов-кубов с размерами ребра 100, 70 и 50 мм, которые были определены по отношению к прочности стандартных образцов с размером ребра 150 мм.

EN: Problem statement. Currently, methods of manufacturing building structures and products using a 3D printer are becoming increasingly popular. In 3D printing technology one of the main factors that affects the quality of the final product is the composition of the concrete mix used. Moreover, for each type of product, it is important to develop a separate composition of the mixture, which has certain physical and mechanical properties. Analysis of the current state of development and research of concrete for 3D printing of structures showed that the choice of materials for printing depends on the functional purpose of the created object and its scope. At the same time, a distinctive feature of concrete used in the practice of modern construction is that each developer of a 3D printer presents its mixture without revealing its composition. Analysis of publications. The main material used in 3D-construction is concrete-an artificial stone building material obtained as a result of the formation and solidification of a rationally selected and compacted mixture. Such a mixture consists of a binder-cement, large and small aggregates, water, and in some cases with the addition of various modifying additives. One of the main directions of modification of concrete mix is the use of special additives, which significantly affect the characteristics of concrete. Examples of such additives are kaolin clay, silica fume, air lime, fly ash, superplasticizers, hardening accelerators, and mixture strength set. In world practice, for 3D printing of structures for concrete reinforcement, a variety of fibers, fiberglass and other fillers are introduced into the mixture, which can significantly increase the strength of concrete. Currently, in Dnipropetrovsk region in Bratskoe village there is a production room, where the production of small piece concrete products with the help of 3D printing has been established. Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, State Higher Education Institution “Pridniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture” established cooperation with this production facility, engaged in the improvement of manufacturing technology and the application of mixtures, as well as the development of optimal concrete compositions. The first step of such cooperation is the development of mixtures with various binders and hardening accelerators, which significantly affect the reduction of the setting time of mixtures. Purpose of the work was to identify physico-mechanical characteristics of concrete,which is used to manufacture the structures at the production plant in Bratskoe. At the same time the goal was also to compare the characteristics of concrete made using 3D printing by extruding the mixture through a nozzle and molded by manually sealing the mixture. Conclusions. It is found out that in modern construction it is quite efficient and technologically simple to implement the advantages of 3D printing technology for the manufacture of individual structural elements of buildings and structures. As a result of tests of concrete compositions for 3D printing of structures, it was found that the closest concrete grade in terms of strength of basic samples-cubes that were made in molds is M300, and samples-cubes that were selected from structures is M250. Scale factors were established for the samples-cubes with ribs of 100, 70, and 50 mm, which were determined with respect to the strength of standard specimens with a 150-mm rib size.