Studying the effect of modifying additives on the hydration and hardening of cement composites for 3D printing

Галина Станиславовна Славчева; Ольга Владимировна Артамонова; Дмитрий Сергеевич Бабенко; Мария Александровна Шведова

doi:10.17308/kcmf.2023.25/10979

Галина Станиславовна Славчева Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8800-2657
Ольга Владимировна Артамонова Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-9157-527X
Дмитрий Сергеевич Бабенко Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация
Мария Александровна Шведова Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-6484-8719

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10979

Ключевые слова: цементные системы твердения, модифицирование, модифицирующие добавки, структурообразование, реологические характеристики, прочность на сжатие

Аннотация

Разработка оптимальных составов и применение модифицирующих добавок для цементных композитов в 3D-печати является актуальным направлением, так как использование таких добавок позволяет целенаправленно регулировать и реологические свойства свежеприготовленной смеси, и структурообразование, а как следствие, и физико-механические характеристики готового композита.
В данной работе для модифицирования цементных композиционных материалов на основе кварцевого песка предложены добавки метакаолина, тетрапирофосфата калия в сочетании с ксантановой камедью и комплексная нанодобавка на основе наночастиц SiO2. Рассмотрены особенности влияния данных добавок на технологические характеристики смесей (пластичность и формоустойчивость), процессы схватывания, гидратации, структурообразования и набора прочности композиционных материалов.
Показано, что наиболее приемлемыми по показателям пластичности и формоустойчивости, ускорению процессов структурообразования и твердения являются системы на кварцевом песке, модифицированные комплексной наноразмерной добавкой и метакаолином. Новообразования в структуре данных систем формируются преимущественно из низкоосновных гидросиликатов, при этом добавка метакаолина способствует формированию в структуре эттрингита. Данные системы имеют оптимальное время начала схватывания и максимальный набор прочности модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток.
Оптимальное соотношение показателей пластичности, формоустойчивости цементных смесей и прочности композитов, полученных с применением исследованных добавок, позволяет рекомендовать их для использования в инновационной технологии строительной 3D-печати.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Галина Станиславовна Славчева, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

д. т. н., доцент,
профессор кафедры строительных материалов,
изделий и конструкций, Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация).

Ольга Владимировна Артамонова, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

д. т. н., доцент, профессор кафедры химии и химической
технологии, Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация).

Дмитрий Сергеевич Бабенко, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

соискатель ученой
степени кандидата наук, инженер Высшей школы
строительного материаловедения, Воронежский
государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация).

Мария Александровна Шведова, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

ассистент кафедры химии и химической технологии материалов,
Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация).

Литература

Vatin N. I., Chumadova L. I., Goncharov I. S., … Finashenkov E. A. 3D printing in construction. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017;1(52): 27–46. (In Russ.). https://doi.org/10.18720/CUBS.52.3

Pustovgar A. P., Adamcevich A. O., Volkov A. A. Technology and organization of additive construction. Industrial and Civil Engineering. 2018;9: 12–20. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36296905

Puharenko Yu. V., Hrenov G. M. Calculation of the composition when designing concrete mixtures for continuous formless molding. Zhilishchnoe stroitel’stvo = Housing construction. 2022;4:40–45. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.31659/0044-4472-2022-4-40-45

Beznogova O. Yu., Potapova E. N. Materials for additive manufacturing construction. Uspekhi v himii i himicheskoj tekhnologii. 2022;3(252): 16–18. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48730949

Tramontin Souza M., Maia Ferreira I., Guzi de Moraes E., … Novaes de Oliveira A. P. Role of chemical admixtures on 3D printed Portland cement: Assessing rheology and buildability. Construction and Building Materials. 2022;314: 125666. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125666

Kalpana M., Vaidevi C., Vijayan D. S., Benin S. R. Benefits of metakaolin over microsilica in developing high performance concrete. Materials Today: Proceedings. 2020;33(1): 977–983. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.06.566

Bondarev B. A., Korneeva A. O., Rogotovskij A. N., Meshcheryakov A. A. Development mixtures for additive technologies. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2021;11(755): 55–63. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.32683/0536-1052-2021-755-11-55-63

Dem’yanenko O. V., Kopanica N. O., Sorokina E. A. Performance characteristics of 3D printing construction mixes depending on thermally-modified peat additive. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogorkhitekturnostroitel’nogouniversiteta. Journal of Construction and Architecture. 2018;20(4): 122–134. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-4-122-134

Zagorodnuk L. K., Elistratkin M. Yu., Podgornyi D. S., Al Mamuri S. Сomposite binders for 3d additive technologies. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2021;18(4): 428–439. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.26518/2071-7296-2021-18-4-428-439

Dey D., Srinivas D., Panda B., Suraneni P., Sitharam T. G. Use of industrial waste materials for 3D printing of sustainable concrete: A review. Journal of Cleaner Production. 2022;340: 130749. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130749

Chen M., Li L., Zheng Y., Zhao P., Lu, L., Cheng X. Rheological and mechanical properties of admixtures modified 3D printing sulphoaluminate cementitious materials. Construction and Building Materials. 2018;189: 601–611. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.09.037

Liu J., Yu C., Shu X., Ran Q., Yang Y. Recent advance of chemical admixtures in concrete. Cement and Concrete Research. 2019;124: 105834. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105834

Kristombu Baduge S., Navaratnam S., Abu-Zidan Y., … Aye, L. Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods. Structures. 2021;29: 1597–1609. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.061

Shaikh F. U. A., Luhar S., Arel H. S., Luhar I. Performance evaluation of Ultrahigh performance fibre reinforced concrete – A review. Construction and Building Materials. 2020;232: 117152. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117152

Zeyad A. M. Effect of fibers types on fresh properties and flexural toughness of self-compacting concrete. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(3): 4147–4158. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.02.042

Slavcheva G. S. , Artamonova O. V. , Shvedova M. A., Britvina E. A. Effect of viscosity modifiers on structure formation in cement systems for construction 3D printing. Inorganic Materials. 2021; 57: 94–100. https://doi.org/10.1134/S0020168521010143

Russel N., Lanos C. Plastic fluid flow parameters identification using a simple squeezing test. Applied Rheology. 2003;13(3): 3–5. https://doi.org/10.1515/arh-2003-0009

Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques. Materials and Structures. 2016;49(4): 1213–1220. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0571-0

Slavcheva G. S., Babenko D S., Shvedova M. A. Analysis and criteria assessment of rheological behavior of mixes for construction 3-D printing. Stroitel’nye Materialy. 2018;12: 34–40. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-34-40

Lootens D., Joussett O., Matinie L., Roussel N., Flatt R. J. Yield stress during setting of cement pastes from penetration test. Cement and Concrete Research. 2009;39: 401–408. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.01.012

JCPDS – International entre for Diffraction Data. © 1987 – 1995. JCPDS – ICDD. Newtown Square, PA. 19073. USA. Available at: https://www.icdd.com/22. Bullard J. W., Jennings H. M., Livingston R. A. Mechanisms of cement hydration. Cement and Concrete Research. 2011;41: 1208–1223. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.09.011

Slavcheva G. S., Artamonova O. V., Shvedova M. A., Britvina E. A. Two-phase cement-based mixture for composites in 3D construction printing technology. Patent RF No. 2729086, 2020. Publ. 04.08.2020, bull. No. 22. (In Russ).

Slavcheva G. S., Artamonova O. V., Shvedova M.A., Britvina E.A. Two-phase cement-based mixture for composites in 3D construction printing technology. Patent RF No. 2729220, 2020. Publ. 05.08.2020, bull. No. 22. (In Russ).

Artamonova O. V., Slavcheva G. S., Shvedova M. A., Britvina E. A., Babenko D. S. Nanomodified cement composite for construction 3D printing. Patent RF, No. 2767643, 2022. Publ. 18.03.2022, bull. No. 8. (In Russ).