К вопросу о критериях подбора цементных составов для 3D‑принтеров с системой сухой подачи

РЕФЕРАТ. Для аддитивных строительных технологий реологические параметры используемых бетонных смесей имеют определяющее значение. Методы обеспечения требуемых свойств различаются в зависимости от способа приготовления и подачи материала к экструдеру: может использоваться готовая к применению или сухая бетонная смесь. В настоящей работе рассмотрены принципы регулирования начального напряжения сдвига, вязкости, индекса тиксотропности при использовании для печати сухих смесей. В качестве критерия оценки составов для 3D‑печати предложено использовать относительное удлинение смеси. Данный показатель определяется как путем прямого измерения, так и по значению индекса тиксотропности, устанавливаемому на основе применения ротационного реометра. На примере исследования влияния на реологические характеристики различных модификаторов (бентонитового глинопорошка, редиспергируемых полимерных порошков, эфиров целлюлозы средней и низкой вязкости, полипропиленовой фиб­ры) применительно к технологии подачи смеси сухим способом показана возможность подбора оптимальных по предложенному критерию составов.

Ключевые слова: 3D‑печать бетоном, аддитивные технологии, реологические свойства, вязкость, тиксотропность, начальное напряжение сдвига, пластичность, растяжимость, относительное удлинение при разрыве, редиспергируемые полимерные порошки, эфиры целлюлозы, полипропиленовое волокно, ротационный реометр.

Keywords: 3D printing with concrete, additive technologies, rheological properties, viscosity, thixotropy, initial shear stress, plasticity, extensibility, elongation at break, redispersible polymer powders, cellulose esters, polypropylene fiber, rotary rheometer.

Введение

В последние десятилетия в контексте повсеместной цифровизации строительных и производственных процессов, повышения их технологичности и точности, а также ввиду стремления к снижению сроков выполнения работ и затрачиваемых ресурсов, возрастает интерес к технологиям трехмерной печати [1, 2]. Активно ведутся работы по разработке новых составов для 3D‑печати и оптимизации уже имеющихся. Например, улучшаются характеристики смесей за счет различных функциональных добавок [3], замещается отходами промышленности часть цемента [4].

Однако отсутствие на сегодняшний день четко сформулированных требований к бетонам для трехмерной печати, а также отсут­ствие достаточного практического опыта применения аддитивных технологий не позволяет создать нормативную базу для проектирования подобных составов. Кроме того, оборудование для 3D‑печати периодически модернизируется, и реологические свой­ства смесей, отвечающих требованиям печати на новых типах оборудования, требуют дополнительного изучения.

В этой связи отметим, что бóльшая часть строительных 3D‑принтеров основана на технологии печати, предусматривающей предварительное приготовление смеси в бетоно­смесителе, а затем ее подачу по шлангу к экструдеру. Новой и перспективной яв­ляется технология, основанная на использовании для печати сухой смеси, когда бетонная смесь при­готавливается в бетоносмесителе-экструдере (микструдере) непосредственно перед выдавливанием [5].

Основные преимущества такого способа подачи — ​высокая степень автоматизации процесса печати, более широкие возможности в отношении регулирования «временем жизни» смеси и повышенная однородность ее свойств.

Однако сухая подача определяет особые требования к применяемым составам, главное из которых — ​должны быстро достигаться требуемые реологические характеристики бетонной смеси, необходимые для экструзии. Ввиду короткого времени на перемешивание (порядка 1—2 мин), осуществляемое непосредственно в печатающей головке, огра­ничено применение модификаторов, требующих более длительного, по сравнению со временем замеса, периода для активного их включения в процессы структурообразования.

Так как вопросы применения сухих бетонных смесей для 3D‑печати еще недостаточно изучены, целью настоящей работы стало определение критериев подбора составов, а также определение наиболее эффективных модификаторов для регулирования реологических свойств смесей. Для этого на основе использования модификаторов различной природы (бентонитового глинопорошка, редис­пергируемых полимерных порошков (РПП), эфиров целлюлозы средней и низкой вязкости, полипропиленовой фибры) оценивались значения реологических параметров цементных составов применительно к 3D‑принтеру Лерто с сухой подачей смеси на производственной площадке ООО «РУ НИТ» (рис. 1). Основная задача была в том, чтобы установить связь таких характеристик, как начальное напряжение сдвига, вязкость, индекс тиксотропности и пластичности (относительное удлинение) смеси с качеством печати, выраженным в отсутствии разрывов «нитей» и правильной гео­метрии слоев.

Рис. 1. 3D-принтер с сухой подачей смеси

Кроме этого, безусловно, важным критерием подбора смесей является прочность при сжатии и изгибе. Известно, что использование в цементных составах модификаторов рео­логии зачастую сопровождается значительным снижением прочностных характеристик.

Методы исследований и использованные материалы

Модельным (контрольным) составом была цементно-песчаная смесь с соотношением масс компонентов, равным 1 : 2, которая принципиально соответствовала техническим возможностям транспортировки, замеса и экструзии используемого для печати оборудования. В работе применяли портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Петербургцемент» и сухой кварцевый песок с наибольшей крупностью зерен 0,63 мм.

В качестве модификаторов свойств бетонных смесей использовали следующие материалы:

• бентонитовый глинопорошок (Бентолюкс ПБМА);
• РПП двух видов — ​SETAKY RDP503N9 и Re-Pol S51;
• эфир целлюлозы TYLOSE MH 60010 P4 со средней вязкостью (27 000—35 000 мПа · с);
• эфир целлюлозы HEADCEL HPK 400 с низкой вязкостью (320—480 мПа ⋅ с);
• полипропиленовое волокно длиной 3 мм.

В соответствии с технологией сухих строи­тельных смесей приготавливали серии составов, отличающихся видом модификатора и его расходом. Кроме того, при изготовлении бетонных смесей для каждой серии варьировали количество воды затворения. В табл. 1 представлены исследованные серии составов.

На первом этапе определяли реологические характеристики бетонных смесей, изготовленных с использованием лабораторного смесителя. При помощи ротационного реометра типа «пластина—​пластина» изучали влияние модификаторов при различном расходе воды на начальное напряжение сдвига, показатель плас­тической вязкости и индекс тиксотропности.

Результатом испытания каждого из исследованных составов на реометре была рео­логическая кривая зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига. Уравнение, описывающее данную кривую, имеет следующий общий вид [6]:

где  — ​напряжение сдвига, Па;  — ​начальное напряжение сдвига, Па;  — ​скорость сдвига, с^–1; n — ​показатель степенной зависимости, отражающий тиксотропность (индекс тиксотропности); K — ​мера консистенции или показатель пластической вязкости, Па ⋅ с.

Также оценивали пластичность свежей печатной «нити», полученной путем экструзии бетонной смеси на принтере, по косвенной характеристике — ​относительному удлинению образца до появления разрыва.

Было принято, что образец достигает предельной растяжимости при разрыве одного или нескольких сечений образца, подвергающегося осевому растяжению в оригинальной установке (рис. 2). Образец бетонной смеси длиной около 20 см формуется методом экструзии на поверхности эластичной ленты установки. Последующим поступательным растяжением ленты обусловливается удлинение образца без смещения относительно нее

Рис. 2. Установка для определения относительного удлинения печатной «нити»

Чтобы определить относительное удлинение, измеряли начальную длину «нити» L₀ и ее длину после появления разрыва сечений L₁, затем вычисляли удлинение ∆l = L₁ — ​L₀ и относительное удлинение ε = ∆l/L₀.

Внешний вид «нити» до испытания и в момент появления разрывов при растяжении показан на рис. 3.

Рис. 3. Образцы-«нити» до испытания на растяжимость (а) и после него (б)

Чтобы определить влияние глинопорошка, РПП и эфиров целлюлозы на прочностные характеристики, изготавливали стандартные образцы по ГОСТ 30744 п. 8.2.2. Образцы испытывали на сжатие и изгиб в возрасте 2 и 28 сут после твердения в нормально-влажностных условиях.

Результаты и обсуждение

Массив данных, полученный в результате определения на реометре характеристик бетонных смесей, изготовленных в лабораторных условиях, был проанализирован и отсортирован исходя из следующих предпосылок:

1) увеличение начального напряжения сдвига и уменьшение индекса тиксотропности обеспечивают повышение стабильности геометрии печатных «нитей» и слоев, что обусловлено снижением чувствительности смеси к динамическим и статическим воздей­ствиям, возникающим при движении печатаю­щей головки и укладке вышележащих слоев;

2) увеличение коэффициента вязкости способствует улучшению формуемости смеси при экструдировании;

3) относительное удлинение при разрыве можно рассматривать как комплексный критерий формуемости и однородности смеси. Увеличение данного показателя характеризует более высокое качество печати.

В табл. 2 приведены данные оценки влия­ния вида исследованных модификаторов на реологические характеристики смесей при оптимальном сочетании расхода добавки и водо-твердого отношения (В/Т).

Результаты оценки изменения прочности образцов с модификаторами относительно контрольного состава приведены в табл. 3.

В ходе исследования установлено, что наи­большее положительное влияние на реологию смеси оказывают глинопорошок и эфир целлюлозы средней вязкости. Оба эти модификатора увеличивают начальное напряжение сдвига и вязкость смеси.

Глинопорошок Бентолюкс ПБМА достаточно эффективен в качестве регулятора тиксотропности, но не может повысить плас­тичность смеси.

Смеси с эфирами целлюлозы характери­зуются наибольшим приростом относительного удлинения при разрыве: пластичность пропорционально увеличивается с ростом содержания модификатора в составе. В качестве негативного результата использования эфиров целлюлозы отметим снижение прочности и в раннем, и в позднем возрасте (до 40 % по сравнению с контрольным составом).

Полипропиленовая фибра не оказывает существенного влияния на пластичность (растяжимость) смеси, однако, учитывая ее роль в снижении пластической усадки, использование такой фибры в составах для трехмерной печати представляется целесообразным.

РПП также не влияют на реологические свойства смесей, что, вероятно, объясняется их относительно медленной растворимостью в воде (около 2 мин при времени замеса менее 1 мин). Кроме того, введение РПП приводит к существенному снижению критически важной для 3D‑печати ранней прочности бетона.

Зависимость показателей индекса тиксотропности и относительного удлинения при разрыве для составов с эфиром целлюлозы можно описать следующим аппроксимирующим выражением:

где ε — ​относительное удлинение при разрыве образца; n — ​показатель степенной зависимости, характеризующий тиксотропность (индекс тиксотропности).

Данное уравнение можно использовать при лабораторном подборе по индексу тиксотропности состава, имеющего пластичность смеси, требуемую для печати с сухой подачей.

Заключение

По результатам выполненного исследования можно сделать вывод о том, что целесообразно совместно применять в смесях для 3D‑печати следующие модификаторы:

1) глинопорошок, который при расходе 1 % массы сухой смеси увеличивает начальное напряжение сдвига и вязкость смеси, а также регулирует тиксотропность. При этом прочность бетона не становится ниже, чем у бездобавочного состава;

2) эфир целлюлозы средней вязкости, позволяющий при оптимальном расходе 0,06 % массы смеси повысить начальное напряжение сдвига, вязкость и пластичность смеси. Негативное влияние эфира целлюлозы на проч­ность бетона обусловливает необходимость минимизировать его расход в составе смеси;

3) полипропиленовое волокно длиной 3 мм в количестве 0,05 % массы сухой смеси способствует увеличению начального напряжения сдвига и вязкости смеси, а также регулирует тиксотропность. Кроме того, фибру следует рассматривать как элемент снижения усадочных деформаций смеси в пластическом состоянии.

На примере исследованных модификаторов установлено наличие статистически значимой связи между относительным удлинением смеси при разрыве, характеризующим ее пластичность, и индексом тиксотропности. Это позволит на следующем этапе исследований перейти к лабораторному подбору состава смеси с комплексом модификаторов, принимая в качестве критерия эффективности индекс тиксотропности, определяемый на ротационном реометре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Славчева Г.С., Лапырев С. Н. Перспективы аддитивных технологий в строительстве: ожидания и реальность // Бетон и железобетон. 2024. № 5 (624). С. 53—60. DOI: https://doi.org/10.37538/0005-9889-2024-5(624)-53-60. EDN: KOOBCF.

2. Адамцевич А.О., Адамцевич Л. А., Пустовгар А. П. Аддитивное строительное производство: обзор мирового опыта // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 12. С. 83—97. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.12.83-97. — ​EDN GVFBHM.

3. Sharanova A., Dmitrieva M. Selection of compositions for additive technologies in construction // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97 (176). Article 06018.

4. Бондарев Б.А., Баязов В. А., Корнеев О. О., Востриков И. А. и др. Подбор составов смесей для 3D печати // Вестн. Евразийской науки. 2021. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://esj.today/PDF/29SAVN321.pdf (дата обращения 01.03.2026). DOI: 10.15862/29SAVN321.

5. Лерто [Электронный ресурс]. URL: https://lerto.ru/3dprinter/ (дата обращения 01.03.2026).

6. Закипная Е.В., Зарицкая В. В. Реология. Благовещенск: Изд-во Дальневосточного ГАУ, 2015. 108 с.

Автор: А.М. Харитонов, Н.Н. Шангина, Е.В. Малащенко

Рубрика: Бетон

Ключевые слова: 3D‑печать бетоном, аддитивные технологии, реологические свойства, вязкость, тиксотропность, начальное напряжение сдвига, пластичность, растяжимость, относительное удлинение при разрыве, редиспергируемые полимерные порошки, эфиры целлюлозы, полипропиленовое волокно, ротационный реометр.