Введение

Строительная 3D-печать относится к числу наиболее перспективных направлений развития аддитивных технологий в строительстве. Для таких технологий требуется смесь, способная к стабильной экструзии, сохранению формы после выхода из сопла и восприятию деформаций без нарушения сплошности [1]– [5].

Использование керамзитового песка позволяет снизить среднюю плотность материала, однако одновременно повышает водопотребность смеси вследствие пористой структуры заполнителя. Это затрудняет переход от обычных мелкозернистых смесей к легким составам, пригодным для строительной 3D-печати [3], [6], [7].

Для инженерной практики необходима простая зависимость, позволяющая оценивать дополнительное количество воды, которое требуется при введении пористого заполнителя. Целью работы является установление связи между объемной долей керамзитового песка, его водопоглощением по объему и приращением объемной доли воды в смеси.

Материалы и методы

В работе использовали портландцемент, кварцевый песок и три вида керамзитового песка, обозначенные как К1, К2 и К3. Для керамзитовых песков определяли насыпную плотность, гранулометрический состав, плотность зерен и водопоглощение по объему [6], [7]. Основным параметром заполнителя в настоящем исследовании принимали водопоглощение по объему Wv.

Экспериментальная программа включала семь составов: эталонный состав без керамзитового песка и шесть составов с пористым заполнителем. Для каждого вида керамзитового песка были приняты два уровня объемной доли керамзита. Составы подбирали при близких значениях расплыва конуса 13,5–15,0 см и растяжимости 200–220 мм/м, что позволяло сопоставлять их по водопотребности.

В качестве расчетного показателя использовали приращение объемной доли воды в смеси Δφв относительно контрольного состава. Для каждого вида керамзитового песка зависимости Δφв=f(φк) аппроксимировали линейными уравнениями, проходящими через начало координат. Угловой коэффициент a рассматривали как характеристику влияния заполнителя на дополнительную потребность смеси в воде.

Таблица 1

Экспериментальные значения для построения расчетных зависимостей

Результаты и обсуждение

Анализ полученных данных показывает, что для каждого вида керамзитового песка приращение объемной доли воды возрастает по мере увеличения его объемной доли в смеси. Для заполнителя К1 получена зависимость Δφв = 0,3575φк, для К2 — Δφв = 0,1342φк, для К3 — Δφв = 0,6758φк. Следовательно, дополнительная потребность смеси в воде во всех случаях описывается линейной функцией от φк, однако интенсивность роста Δφв различается весьма существенно.

Рис. 1. Зависимость приращения объёмной доли воды от объёмной доли керамзита

Минимальное значение коэффициента a характерно для заполнителя К2, имеющего наименьшее водопоглощение по объему среди исследованных материалов. Для керамзитового песка К1 коэффициент a занимает промежуточное положение, а для К3 достигает наибольшего значения. Это означает, что при одинаковом увеличении объемной доли пористого заполнителя наиболее значительное дополнительное количество воды требуется для смесей с керамзитом К3. Полученные результаты согласуются с общими представлениями о поведении пористых заполнителей в цементных системах: чем выше водопоглощение, тем большую часть воды затворения заполнитель связывает в своей поровой структуре [3], [6], [7].

Для количественного описания указанной закономерности была рассмотрена зависимость коэффициента a от водопоглощения по объему Wv. Аппроксимация экспериментальных данных позволила представить ее в виде линейного соотношения a = 0,0057Wv. Несмотря на ограниченное число исследованных заполнителей, данное выражение отражает общую тенденцию: повышение водопоглощения керамзитового песка приводит к росту чувствительности смеси к введению пористого заполнителя в части дополнительной потребности в воде.

Рис. 2. Зависимость углового коэффициента a от водопоглощения керамзитового песка по объёму

Подстановка выражения для коэффициента a в ранее полученную зависимость Δφв = a·φк дает обобщенную модель Δφв = 0,0057Wv·φк. С инженерной точки зрения это уравнение представляет наибольший интерес, поскольку позволяет оценивать изменение объемной доли воды одновременно по двум параметрам: свойству заполнителя и его содержанию в смеси.

Для практического использования модели может быть выполнен предварительный расчет. Например, для керамзитового песка с водопоглощением Wv = 60 % при объемной доле керамзита φк = 30 % приращение объемной доли воды составит Δφв = 0,0057·60·30 = 10,26 %. Следовательно, уже на этапе предварительного подбора состава можно оценить дополнительную потребность смеси в воде и избежать значительного числа опытных корректировок.

Практическая ценность полученной зависимости заключается в возможности ее использования при предварительном проектировании легких смесей для строительной 3D-печати. Сначала по условию средней плотности определяется требуемая объемная доля керамзита, после чего по модели Δφв = 0,0057Wv·φк рассчитывается дополнительная объемная доля воды, необходимая для сохранения требуемых технологических свойств смеси.

Таблица 2

Расчетные зависимости, полученные по экспериментальным данным

Вместе с тем предложенную зависимость следует рассматривать как расчетно-экспериментальную и требующую дальнейшего уточнения. Она получена по ограниченному числу видов заполнителя и уровней объемной доли керамзита, поэтому в дальнейшем требуется расширение числа экспериментальных точек, а также проверка модели для составов с иными уровнями подвижности и при использовании пластифицирующих добавок.

Заключение

На основании анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.

Для легких смесей на керамзитовом песке, предназначенных для строительной 3D-печати, приращение объемной доли воды относительно контрольного состава возрастает с увеличением объемной доли пористого заполнителя.

Для каждого вида керамзитового песка зависимость дополнительной объемной доли воды от объемной доли керамзита удовлетворительно описывается линейным уравнением вида Δφв = a·φк. Значения коэффициента a составили 0,3575 для К1, 0,1342 для К2 и 0,6758 для К3.

Установлено, что коэффициент a связан с водопоглощением керамзитового песка по объему. В первом приближении данная зависимость может быть представлена соотношением a = 0,0057Wv.

Предложенная обобщенная расчетно-экспериментальная модель Δφв = 0,0057Wv·φк позволяет оценивать дополнительную потребность смеси в воде при введении керамзитового песка.

Полученная зависимость может быть использована при предварительном проектировании легких смесей для строительной 3D-печати, однако для расширения области ее применения необходимы дальнейшие исследования.

Литература:

1. ГОСТ Р 59096–2020. Материалы для аддитивного строительного производства. Методы испытаний.
2. ГОСТ Р 59097–2020. Материалы для аддитивного строительного производства. Технические требования.
3. Иноземцев А. С. Современная теория и практика технологии бетонов для 3D-печати в строительстве // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. Вып. 2. С. 216–245. DOI: 10.22227/1997–0935.2024.2.216–245.
4. Славчева Г. С., Бритвина Е. А., Ибряева А. Строительная 3D-печать: оперативный метод контроля реологических характеристик смесей // Вестник инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2019. № 4 (41). С. 134–143.
5. Бритвина Е. А., Славчева Г. С. Показатели технологичности цементных смесей для строительной 3D-печати: моделирование и экспериментальные исследования // Вестник инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2021. № 4 (49). С. 56–65.
6. ГОСТ 25820–2021. Бетоны легкие. Технические условия.
7. ГОСТ 9758–2012. Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний.