Экспериментальное исследование прочностных и деформационных характеристик бетона, изготовленного с применением аддитивных технологий

РЕФЕРАТ. В статье приведены результаты экспериментального исследования прочностных и деформационных характеристик бетона, изготовленного с применением аддитивных технологий. Испытания образцов-цилиндров бетона, отобранных из напечатанной на 3D‑принтере конструкции, позволили определить их пределы прочности (при сжатии, на растяжение при раскалывании вдоль образующих цилиндра, на срез), модуль упругости при сжатии, а также построить диаграммы деформирования при сжатии. Чтобы получить характеристики материала в трех направлениях по отношению ко шву печати, керны отбирали из напечатанных образцов плит в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Чтобы нормировать прочность и учесть эффект масштаба, применяли коэффициенты, приведенные в действующей нормативной документации.

Ключевые слова: 3D‑печать бетоном, аддитивные технологии, проч­ность бетона, деформация бетона.

Keywords: concrete 3D printing, additive technologies, concrete strength, concrete deformation.

Введение

3D‑печать бетона — ​перспективная инновационная строительная технология, позволяющая минимизировать участие человека в производственных процессах и значительно расширить область применения робототехники и цифровых технологий в строительстве. В отличие от традиционных методов строительства, при 3D‑печати реализуется аддитивное производство конструкций на основе экструзии [1, 2]. В 3D‑принтере используется управляемая компьютером насадка, послойно наносящая друг на друга слои специально разработанного для этих целей строительного материала с улучшенными рео­логическими свойствами.

Чтобы применять конструкции, изготовленные с применением технологии 3D‑печати бетона, требуется определять его проч­ностные и деформационные характеристики [3—5]. Экспериментальные исследования прочности на сжатие бетона, изготовленного методом 3D‑печати, описаны во многих работах, например, [6—8].

Цель настоящего исследования — ​определить прочностные и деформационные характеристики бетонных образцов, отобранных из конструкции, напечатанной на 3D‑прин­тере.

Чтобы достичь поставленной цели, решались следующие задачи:

1. разработка программы многофакторного эксперимента, включающего в себя испытания образцов аддитивного бетона с варьированием наиболее значимых параметров;
2. разработка методики эксперимента, изготовление образцов аддитивного бетона и их испытания;
3. анализ экспериментальных данных;
4. анализ влияния входных параметров многофакторного эксперимента на проч­ностные и деформационные характеристики аддитивного бетона.

В работах [6—8] в экспериментах испытывали образцы нестандартного размера, для которых в нормативной документации отсутствуют масштабные коэффициенты пересчета полученных значений прочности бетона на ее значения для образцов базового размера. В работах [6, 7] описаны испытания крупноразмерных образцов, выпиленных дисковой пилой из конструкции в разных направлениях. В работе [8] прочность бетона на сжатие определяли на образцах-кубах с длиной реб­ра 50 мм. Отсут­ствие единого стандарта испытаний для определения прочности бетона не поз­воляет нормировать характеристики, полученные в работах [7—9].

Для определения прочности бетона на срез наибольшее распространение получили методики испытаний, предложенные Е. Мёршем и А.А. Гвоздевым (рис. 1). Основной недостаток при испытании бетонных образцов по методу Мёрша — ​возникновение сложного напряженно-деформированного состояния в образце, что приводит к образованию в расчетном сечении кроме среза также дополнительных напряжений от изгиба и местного сжатия (смятия) под прокладками. Методика Гвоздева наилучшим образом обеспечивает условия, близкие к чистому срезу, но при этом в плоскости среза все равно возникают растягивающие и касательные напряжения, причем в местах вырезов в об­разце наблюдается концентрация напряжений [10]. Также, учитывая слоистое строение аддитивного бетона, применять методику Гвоздева для определения прочности бетона на срез не представляется возможным.

Рис. 1. Схема испытаний образцов на срез по методам Мёрша (а) и Гвоздева (б). Буквы и цифры у стрелок — ​прикладываемая нагрузка

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что существующие методы испытаний прочности бетона невозможно применять для решения поставленных в работе задач, так как невозможно стандартизировать полученные по этим методам результаты.

Организация эксперимента и его результаты

В рамках эксперимента испытывали об­разцы-цилиндры, отобранные из напечатанной на 3D‑принтере конструкции, чтобы определить следующие показатели:

• предел прочности при сжатии,
• модуль упругости при сжатии,
• предел прочности на растяжение при раскалывании вдоль образующих цилиндра,
• предел проч­ности на срез.

Для нормирования прочности и учета масштабного эффекта применялись коэффициенты согласно ГОСТам 10180—2012 и 28570—2019. Для определения прочности аддитивного бетона на срез предложена новая методика испытаний образцов с одной плоскостью сдвига, обеспечивающая механизм разрушения с отсутствием растягивающих напряжений, вызванных изгибом. Схемы испытаний образцов цилиндров, отобранных из напечатанной на 3D‑принтере плиты, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схемы испытаний образцов-цилиндров, описанных в настоящей статье: а — на растяжение при раскалывании, б — ​на сжатие, в — ​на срез; 1 — ​испытываемый образец; 2 — ​плоскость среза; PR, PS — ​прикладываемая нагрузка

Из печатной смеси (содержащей порт­ландцемент ЦЕМ I 42,5Н с добавлением 2 % масс. металлического корда и 0,8 % плас­тификатора на основе поликарбоксилата с воздухововлекающим эффектом) на 3D‑прин­тере AMT S‑6044 печатались исходные образцы-плиты размерами 35 × 35 × 30 см (рис. 3, а). После печати они твердели при температуре 20 °C и относительной влажности воздуха 40 % в течение 28 сут.

Рис. 3. Образцы-плиты (а) и отбор из них кернов (б)

Прочность связей между напечатанными слоями бетона зависит от направления печати. Характеристики бетона определяли в трех направлениях по отношению ко шву печати — ​перпендикулярном, продольном и поперечном. Для этого из затвердевших образцов-плит были отобраны в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 4) три серии кернов диаметром 84 мм и высотой 340 мм (рис. 3, б):

• поперек слоев (по x-ориентации) — се­рия Л (ложок — ​длинная поверхность сбоку кирпича);
• вдоль слоев (по y-ориентации) — серия Т (тычок — короткая торцевая часть кирпича);
• перпендикулярно к слоям (по z-ориентации) — серия П (постель — ​большая плоскость кирпича).

Каждый керн осматривали, маркировали, покрывали гидроизоляционной пленкой, предохраняющей от потери влаги, и доставляли в лабораторию для последующих испытаний.

Рис. 4. Схема ориентации образцов-цилиндров при их отборе для испытаний [2]

Испытания образцов-цилиндров с целью определить предел прочности бетона на сжатие, а также на растяжение при раскалывании вдоль образующих цилиндра (рис. 5) проводились на гид­равлических прессах ИП‑100 и П‑125 производства ЗИМ Точмашприбор (Россия) в соответ­ствии с требованиями ГОСТ 10180—2012, результаты испытаний обрабатывали по ГОСТ 28570—2019.

Статистическую обработку результатов испытаний выполняли в соответствии с ГОСТ 18105—2018. 

Рис. 5. Испытания образцов-цилиндров на растяжение при раскалывании (а) и на сжатие (б)

Для учета соотношения высоты цилиндра к его диаметру в расчете прочности бетона вводится коэффициент η1 по табл. 2 ГОСТ 28570—2019 при испытании на сжатие и η2 по табл. 3 ГОСТ 28570—2019 при испытании на растяжение при раскалывании. Масштабные коэффициенты, учитывающие форму и размеры поперечного сечения — ​α в расчете прочности при сжатии и γ в расчете прочности на растяжение при раскалывании — ​принимаются в соответ­ствии с табл. 4 и 5 ГОСТ 28570—2019 соответственно.

Результаты испытаний образцов-цилиндров на сжатие с целью определения предела прочности приведены в табл. 1, на растяжение при раскалывании — ​в табл. 2.

Испытания образцов-цилиндров диаметром 84 мм и высотой 340 мм с целью определить модуль упругости бетона на сжатие (рис. 6) выполнялись по ГОСТ 24452—2023 на прессе П‑125. В ходе испытаний образцов на сжатие измеряли осевые продольные деформации с использованием средств тензометрии – тензорезисторов марки PL‑60—11 с базой 60 мм и номинальным сопротивлением 120 Ом производства Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co., Ltd (Япо­ния). Их приклеивали с четырех сторон вдоль боковых образующих керна. В качестве регистрирующего устройства использовалась тензостанция марки ZET 017-T8 производства ООО «ЭТМС» (Россия). При проведении испытания тензорезисторы подключались через мост Уитсона по четвертьмостовой схеме.

Рис. 6. Испытания образцов-цилиндров на сжатие с целью определить модуль упругости и построить диаграмму деформирования

По итогам обработки результатов испытаний были получены значения модуля упругости на сжатие для различных серий образцов (см. табл. 3).

По результатам обработки экспериментальных данных построены диаграммы деформирования бетона при сжатии (рис. 7—9). Точки усредненных экспериментальных значений, соединенные линией, приведены с указанием значений доверительного интервала, полученных по результатам статистической обработки.

Рис. 7. Диаграмма деформирования при сжатии бетона серии П

Рис. 8. Диаграмма деформирования при сжатии бетона серии Л

Рис. 9. Диаграмма деформирования при сжатии бетона серии Т

Испытания образцов-цилиндров с целью определить предел прочности бетона на срез (рис. 10) проводились на прессе ИП‑100 с использованием специализированной оснастки, обеспечивающей механизм разрушения на срез с одной плоскостью сдвига с отсутствием растягивающих напряжений, вызванных изгибом. Результаты испытаний приведены ​в табл. 4.

Рис. 10. Испытания образов-цилиндров на срез

Данные табл. 1—4 позволяют характеризовать полученный и исследованный в настоя­щей работе 3D-бетон как трансверсально-изотропный материа­л.

Выводы

1. Установлено, что существующие методы испытаний прочности невозможно применять для аддитивного бетона, так как не разработана процедура стандартизации полученных по ним результатов.

2. Разработана методика проведения эксперимента, изготовлены образцы аддитивного бетона для различных видов испытаний, проведены испытания этих образцов, позволившие определить их прочностные и деформационные характеристики.

3. Результаты проведенных механических испытаний полученного аддитивного бетона позволяют характеризовать его как трансверсально-изотропный материа­л.

4. Подобран стандартизированный метод определения прочности на сжатие и растяжение образцов аддитивного бетона, обеспечивающий нормируемую статистическую изменчивость испытаний.

5. Предложен новый метод определения прочности на срез (сдвиг) аддитивного бетона, не имеющий нормирования, который обеспечивает нормируемую статистическую изменчивость испытаний.

Благодарность

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-19-00426, URL: rscf.ru/project/25-19-00426/.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мухаметрахимов Р.Х., Лукманова Л.В. Моделирование и создание строительных изделий методом 3D‑печати: учебно-методическое пособие // Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2020. 28 с.

2. Клюев С.В., Фомина Е.В., Щекина Н.А., Шорстова Е.С. и др. Исследование изделий, полученных методом 3D‑печати // Инж. вестник Дона. 2024. № 6 (114). С. 584—594.

3. Клюев С.В. Высокопрочный сталефибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 11 (178). С. 38—39.

4. Клюев С.В. Ползучесть и деформативность дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестн. Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 4. С. 85—87.

5. Marchment T., Sanjayan J. 3D Method of enhancing interlayer bond strength in construction scale // Materials and Design. 2019. N 169. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107684.

6. Huang X., Yang W., Song F., Zou J. Study on the mechanical properties of 3D printing concrete layers and the mechanism of influence of printing parameters // Constr. Build. Mater. 2022. N. 335. P. 127496.

7. Кабанцев О.В., Карлин А.В. Особенности структуры бетона элемента конструкции, выполненной по аддитивной технологии // Железобетонные конструкции. 2023. № 1 (1). С. 55—63.

8. Slavcheva G.S., Levchenko A.V., Shvedova M.A., Karakchi-ogly D.R., et al. Anisotropy in mechanical properties of 3D‑printed layered concrete // Mag. Civil Engin. 2024. Vol. 17, N 3. Article N 12708. DOI: 10.34910/MCE.127.8.

9. Сорокина Е.А., Копаница Н.О. Анализ и оценка методов определения прочности бетона для аддитивной технологии // Вестн. ТГАСУ. 2021. Т. 23, № 2. С. 87—95.

10. Гвоздев А.А., Васильев А.П., Дмитриев С.А. Изучение сцепления нового бетона со старым в стыках сборных железобетонных конструкций и рабочих швах. М.: ОНТИ ЦНИЛС, 1936. 36 с.

Автор: С.В. Клюев, Н.А. Щекина, Д.М. Лобов, А.В. Клюев, Е.С. Шорстова

Рубрика: Бетон

Ключевые слова: 3D‑печать бетоном, аддитивные технологии, прочность бетона, деформация бетона