Исследование прочности сцепления слоев в технологии 3D-печати бетоном

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Развитие строительной 3D-печати бетоном требует глубокого изучения факторов, влияющих на межслойную адгезию, поскольку от этого зависит прочность и долговечность конструкций. Отсутствие достаточных данных по влиянию подвижности смеси, типа заполнителей, их соотношения и времени твердения ограничивает возможности оптимизации технологических параметров. Устранение этих пробелов позволит повысить качество 3D-печатных конструкций, расширить область их применения и снизить риск дефектов. Данное исследование актуально для дальнейшего развития аддитивных технологий в строительстве, обеспечивая научную основу для совершенствования методов печати. Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния подвижности мелкозернистой бетонной смеси, модуля крупности песка, времени технологического перерыва и продолжительности твердения мелкозернистого бетона на адгезию слоев в аддитивном строительном производстве. По результатам выполненных исследований выявлены ключевые зависимости прочности межслойного сцепления в технологии аддитивного строительного производства от рецептурных и технологических факторов: подвижности смеси, модуля крупности песка и продолжительности твердения при различных продолжительностях технологических перерывов. Оптимальными параметрами, обеспечивающими максимальную прочность сцепления слоев, напечатанных на 3D-принтере, являются марка по подвижности Пк=3 и модуль крупности песка Мк=3. Наблюдаемые эффекты обусловлены в большей степени химическими, диффузионными и адсорбционными механизмами адгезии, в меньшей – механическим сцеплением. Полученные результаты свидетельствуют, что основным направлением повышения межслойной адгезии в аддитивном строительном производстве является оптимизация рецептурного состава смесей, позволяющая управлять кинетикой гидратации и формированием структуры материала.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Х. Мухаметрахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: muhametrahimov@mail.ru

д-р техн. наук 

Россия, 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1

Р. З. Рахимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: rahimov@kgasu.ru

д-р техн. наук 

Россия, 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1

А. Ф. Бурьянов

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: rga-service@mail.ru

д-р техн. наук 

Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26

Л. В. Зиганшина

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: lilya0503199@gmail.com

канд. техн. наук 

Россия, 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1

Список литературы

  1. Tay Y.W.D., Panda B., Paul S.C., Noor Mohamed N.A., Tan M.J., Leong K.F. 3D printing trends in building and construction industry: a re-view. Virtual and Physical Prototyping. 2017. Vol. 12. No. 3, pp. 261–276. https://doi.org/10.1080/17452759.2017.1326724
  2. Asghari Y., Mohammadyan-Yasouj S.E., Petrů M., Ghandvar H.R. Koloor S.S. 3D Printing and Implementation of Engineered Cementitious Composites – A Review. Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 21, р. e03462. EDN: FHWTZQ. https://doi.org/10.1016/J.CSCM.2024.E03462
  3. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 143, pp. 172–196. EDN: YEXMXZ. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESB.2018.02.012
  4. Paolini A., Kollmannsberger S., Rank E. Additive manufacturing in construction: A review on processes, applications, and digital planning methods. Additive Manufacturing. 2019. Vol. 30. https://doi.org/10.1016/J.ADDMA.2019.100894
  5. Buswell R.A., Leal de Silva W.R., Jones S.Z., Dirrenberger J. 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 112, pp. 37–49. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
  6. Рахимов Р.З., Мухаметрахимов Р.Х., Рахматуллина Е.С. Технико-экономическая эффективность аддитивного строительного производства малых форм из бетона // Эксперт: теория и практика. 2024. № 1 (24). C. 34–41. EDN: MUBDPY. https://doi.org/10.51608/26867818_2024_1_34
  7. Wolfs R.J.M., Bos F.P., Salet T.A.M. Hardened properties of 3D printed concrete: The influence of process parameters on interlayer adhesion. Cement and Concrete Research. 2019. Vol. 119, pp. 132–140. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.02.017
  8. Weng Y., Li M., Zhang D., Tan M.J., Qian S. Investigation of inter-layer adhesion of 3D printable cementitious material from the aspect of printing process. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 143, p. 106386. EDN: VPEHRB. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONRES.2021.106386
  9. Chen Y., Chaves Figueiredo S., Yalçinkaya Ç., Çopuroğlu O., Veer F., Schlangen E. The Effect of Viscosity-Modifying Admixture on the Extrudability of Limestone and Calcined Clay-Based Cementitious Material for Extrusion-Based 3D Concrete Printing. Materials. 2019. Vol. 12, No. 9, p. 1374. https://doi.org/10.3390/ma12091374
  10. Mousavi M., Bengar H.A., Mousavi F., Mahdavinia P., Bengar M.A. Interlayer bond strength prediction of 3D printable concrete using artificial neural network: Experimental and modeling study. Structures. 2025. Vol. 71, p. 108147. EDN: KQMPTN. https://doi.org/10.1016/J.ISTRUC.2024.108147
  11. Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Совершенствование аддитивного строительного производства повышением адгезии слоев при длительных перерывах в процессе 3D-печати // Известия КГАСУ. 2024. № 1 (67). C. 127–134. EDN: ULXEQB. https://doi.org/10.48612/NewsKSUAE/67.13
  12. Rahul A.V., Santhanam M., Meena H., Ghani Z. 3D printable concrete: Mixture design and test methods. Cement and Concrete Composites. 2019. Vol. 97, pp. 13–23. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP.2018.12.014
  13. Xu W., Jiang D., Zhao Q., Wang L. Wang. Study on printability of 3D print-ing carbon fiber reinforced eco-friendly concrete: Characterized by fluidity and consistency. Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 21, p. e03589. https://doi.org/10.1016/J.CSCM.2024.E03589
  14. He Y., Zhang X., Hooton R.D., Zhang X. Effects of interface rough-ness and interface adhesion on new-to-old concrete bonding. Construction and Building Materials. 2017. Vol. 151, pp. 582–590. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2017.05.049
  15. Tao Y., Lesage K., Van Tittelboom K., Yuan Y., De Schutter G. Influ-ence of substrate surface roughness and moisture content on tensile adhesion performance of 3D printable concrete. Cement and Concrete Composites. 2022. Vol. 126, p. 104350. EDN: UEUGZV. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP.2021.104350
  16. He L., Pan J., Hee Y.S. Development of novel concave and convex trowels for higher interlayer strength of 3D printed cement paste. Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 21, p. e03745. https://doi.org/10.1016/J.CSCM.2024.E03745
  17. Беляков А.Ю., Хохряков О.В., Хозин В.Г. Функционализированный минеральный наполнитель – эффективный модификатор цементных бетонов // Известия КГАСУ. 2023. № 3 (64). C. 45–56. EDN: FCPOKY. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_45
  18. Гиззатуллин А.Р., Морозова Н.Н., Нестерова К.О. Функционализированные наполнители для применения в цементных бетонах // Полимеры в строительстве. 2023. № 1 (11). C. 47–57. EDN: CBGPNV
  19. Альтдинова А.И., Хамидуллина Н.Р., Кузнецова Г.В. Влияние вида песка на долговечность и свойства силикатных изделий автоклавного твердения // Полимеры в строительстве. 2023. № 1 (11). C. 30–39. EDN: JEDODO
  20. Косарева А.В., Савицкая Ю.А., Харламова К.И. Оценка эффективности методов фракционирования дисперсных микрочастиц // Полимеры в строительствe. 2024. № 1 (12). C. 100–103. EDN: AENNLJ
  21. Кайс Х.А., Морозова Н.Н., Хохряков О.В., Низамов Р.К. Прочностные и деформативные свойства мелкозернистого бетона на основе гипсоцементнопуццоланового вяжущего // Известия КГАСУ. 2025. № 1 (71). C. 51–66. EDN: EANJZS. https://doi.org/10.48612/NewsKSUAE/71.5
  22. Slavcheva G.S., Razov I.O., Solonina V.A., Panchenko Y.F. Justification of the criteria requirements for fillers in mixtures for 3D construction printing. Nanotechnologies in Construction A Scientific. 2023. Vol. 15. No. 4, pp. 310–318. EDN: MDJZIG. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-4-310-318
  23. Славчева Г.С., Бритвина Е.А., Шведова М.А., Юров П.Ю. Влияние дозировки и гранулометрии наполнителей на показатели экструдируемости смесей для 3D-печати // Строительные материалы. 2022. № 1–2. C. 21–29. EDN: IRXARN. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-21-29

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Бетон, напечатанный на 3D-принтере, с характерными границами между слоями

Скачать (415KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости прочности сцепления слоев, напечатанных с технологическими перерывами 0, 6, 9, 12 ч, от подвижности МЗБС

Скачать (120KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости прочности сцепления слоев, напечатанных с технологическими перерывами 0, 6, 9, 12 ч, от модуля крупности песка в составе МЗБС

Скачать (120KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости прочности сцепления слоев МЗБ от продолжительности твердения, напечатанных с различными продолжительностями технологического перерыва

Скачать (86KB)
Метаданные

© ООО РИФ "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ", 2025