СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОСЛОЙНОГО ЭКСТРУДИРОВАНИЯ (3D-ПЕЧАТИ) Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B111/20 B33Y70/00 

Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных изделий и конструкций в технологии аддитивного производства методом послойного экструдирования (3D-печати) сырьевой смеси на основе портландцемента, песка, тонкомолотого пуццоланового компонента, суперпластификатора и метилсилантриол калиевой соли.

Известна сырьевая смесь на основе цемента для строительной 3D-печати, включающая сульфоалюминатный цемент - 150-400 кг, золу - 0-250 кг, песок с диаметром частиц 0,075-5 мм, полипропиленовую фибру с длиной 3-6 мм, суперпластификатор PCE производства Shandong Hongyi Technology Co., Ltd - 1,5-2,5% от массы цемента, замедлитель схватывания тетраборат натрия и винная кислота в соотношении 1:(1-1,5) - 0,01-0,2% от массы цемента, при этом 10-минутная осадка предлагаемого материала на основе цемента составляет 90-110 мм, начало схватывания составляет 15-80 мин, конец схватывания составляет 30-100 мин [1]. Недостатками данного изобретения являются наличие большого числа компонентов смеси, повышенный расход компонентов смеси и увеличение ее стоимости, вызванное применением быстротвердеющего сульфоалюминатного цемента и замедлителя схватывания.

Известна высокотиксотропная сырьевая смесь для строительной 3D-печати, включающая в себя, мас.%: специальный тиксотропный агент 1,0-3,0, цемент 35-40, суперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилата 0,1-0,4, полипропиленовое волокно 0,1-0,4, воду 12,5-14,5, песок - остальное [2]. Недостатками данного изобретения являются снижение физико-механических характеристик композита при температуре свыше 140 °C, вызванное плавлением полипропиленового волокна.

Известен модифицированный полимерцементный композиционный материал для 3D-печати, включающий, мас.%: портландцемент 24,37-34,16, поливинилацетатная дисперсия 2,44-2,56, песок 50,74-61,38, жидкое стекло 1,70-2,44, фиброволокно полипропиленовое 0,02-0,03, флороглюцинфурфурольный модификатор 0,05-0,07, вода - остальное [3]. Недостатками данного изобретения являются невысокие сроки начала схватывания – до 45-70 мин, что вызывает затруднение транспортирования сырьевой смеси с завода на строительную площадку, низкие показатели прочности на сжатие и изгиб в возрасте 28 сут, повышенное водопоглощение.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является двухфазная смесь на основе цемента для композитов в технологии строительной 3D-печати, фаза 1 которой содержит компоненты в следующем массовом соотношении твердой фазы, %: портландцемент 44,1-44,5, песок 55,14-55,4, камедь ксантановая 0,08-0,1, тетракалий пирофосфат технический 0,08-0,1, полипропиленовая фибра 0,2-0,3; фаза 2 содержит компоненты в следующем массовом соотношении жидкой фазы, %: суперпластификатор 4,1-4,6, вода 95,4-95,9 [4].

Недостатками данного изобретения являются повышенный расход портландцемента и суперпластификатора (1,2-1,4% от массы портландцемента), низкая формоустойчивость напечатанных слоев из сырьевой смеси, высокие усадочные деформации затвердевшего композита вследствие повышенного расхода портландцемента и применения песка, принадлежащего к группе «очень мелкий» (согласно ГОСТ 8736-2014), высокое водопоглощение, низкие показатели предела прочности при изгибе затвердевшего композита, снижение физико-механических характеристик композита при температуре свыше 140 °C, вызванное плавлением полипропиленового волокна, использование в качестве модификаторов вязкости тетракалия пирофосфата и камеди ксантановой, не предназначенной для использования в качестве добавок для бетонов и растворов (по ГОСТ 24211-2008). Также недостатком изобретения является отсутствие данных о влажности компонентов сырьевой смеси, влияющие на реологические и физико-механические свойства композитов, а также отсутствие данных об осуществлении данного изобретения на 3D-принтере, реализующем метод послойного экструдирования и качестве получаемых изделий. Кроме того, недостатком является используемый в изобретении способ подготовки образцов, заключающийся в их изготовлении в формах 70×70×70 мм, 70×70×280 мм, в то время как технология строительной 3D-печати исключает применение форм, что приводит к изменению поровой структуры композита и искажению получения достоверных результатов физико-механических свойств (прочность на сжатие и растяжение, плотность, водопоглощение и др.).

Задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода портландцемента, суперпластификатора в сырьевой смеси для послойного экструдирования (3D-печати), повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из сырьевой смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, снижение усадочных деформаций, водопоглощения, повышение предела прочности при изгибе затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм).

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение расхода портландцемента и суперпластификатора в сырьевой смеси, повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из сырьевой смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, снижение усадочных деформаций, водопоглощения, повышение предела прочности при изгибе затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм).

Поставленная задача достигается тем, что сырьевая смесь для послойного экструдирования - 3D-печати, включающая портландцемент, песок, суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров и воду, отличается тем, что используют портландцемент, содержащий, мас.%: трехкальциевый силикат 68,1, трехкальциевый алюминат 7,2, в качестве песка используют кварцевый песок с модулем крупности 2,2-2,4 и влажностью 1-2%, в качестве суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров используют суперпластификатор «MasterGlenium 115», и дополнительно она содержит тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м²/кг и метилсилантриол калиевую соль «ГКЖ-11К» при следующем содержании компонентов, мас.%:

Указанный портландцемент 21,0-24,0 Указанный песок 61,32-64,87 Суперпластификатор «MasterGlenium 115» 0,21-0,24 Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 2,1-2,4 Метилсилантриол калиевая соль «ГКЖ-11К» 0,010-0,012 Вода 11,810-12,028

Для изготовления сырьевой смеси для послойного экструдирования (3D-печати) использовали следующие материалы:

Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: C₃S - 68,1%, C₂S - 9,4%, С₃А - 7,2%, C₄AF - 11%;

Кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 2,2-2,4, влажностью 1-2% (ГОСТ 8736-2014). Для приготовления образцов использовали песок с модулем крупности 2,3, с влажностью 1,5%;

Суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров «MasterGlenium 115» производства ООО «BASF Строительные системы», представляющий собой жидкость светло-желтого цвета без содержания хлоридов, плотностью при 20°C 1,05 г/см³, pH - 5,5;

Тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м²/кг (ТУ 5729-098-12615988-2013). Для приготовления образцов использовали метакаолин с гидравлической активностью 1232,7 мг/г, степенью помола 2068 м²/кг;

Метилсилантриол калиевая соль «ГКЖ-11К» производства ПАО «Химпром», представляющая собой жидкость темно-коричневого цвета плотностью 1,34 г/см³ при 20°C;

Водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты сырьевой смеси – портландцемент, песок, метакаолин и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды, суперпластификатора «MasterGlenium 115», метилсилантриол калиевой соли «ГКЖ-11К», производят их перемешивание до получения однородного раствора и постепенно добавляют его к тщательно перемешанным сухим компонентам, осуществляя перемешивание смеси до получения однородной массы с подвижностью Пк 2 (по ГОСТ 28013-98) при глубине погружения эталонного конуса 7-8 см. На следующем этапе производят подготовку 3D-принтера: внутреннюю поверхность съемного накопительного бункера смачивают водопроводной питьевой водой или разделительной смазкой. Далее заполняют съемный накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной сырьевой смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата. Затем осуществляют формование сырьевой смеси методом послойного экструдирования (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью. Трехмерная цифровая модель образцов представляет собой полосу длиной 40 см, высотой одного слоя 20 мм. Печать сырьевой смеси производят при следующих регулируемых параметрах печати, задаваемых в программном комплексе «Mach3» (Artsoft founder Art Fenerty): скорость вращения шпинделя составляет 3000-5000 ед., скорость подачи – 4000-6000 ед./мин.

Формоустойчивость напечатанных слоев из сырьевой смеси оценивалась по способности смеси сохранять положение в пространстве под воздействием технологических факторов, а именно по максимальной высоте печатаемого образца без технологических перерывов до достижения им критического состояния – потери устойчивости в целом, характеризующаяся его опрокидыванием или потерей устойчивости формы образца со смещением напечатанных слоев.

Также были проведены испытания образцов по прототипу с использованием портландцемента ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108-2016, песка с модулем крупности меньше или равным 1,25 по ГОСТ 8736-2014, камеди ксантановой с содержанием (C₃₅H₄₉O₂₉)_n не менее 91%, тетракалия пирофосфата технического с содержанием К₄Р₂О₅ не менее 98%, полипропиленовой фибры длиной 12 мм, суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров, воды.

Через 28 суток нормального твердения производили подготовку образцов для испытаний, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати), путем их распила на призмы размерами 40×40×160 мм. Водопоглощение затвердевшего композита определяли по ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения». Предел прочности при изгибе затвердевшего композита определяли на образцах-балочках размерами 40×40×160 мм по ГОСТ 5802-86. «Растворы строительные. Методы испытаний» с использованием испытательной машины МИИ-100. Усадочные деформации оценивались по наличию образования на затвердевших композитах усадочных трещин, наличие дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из сырьевой смеси производилось визуально-инструментальным методом с использованием измерительной металлической линейки по ГОСТ 427-75 и измерительной лупы с подсветкой по ГОСТ 25706-83.

Составы сырьевых смесей для послойного экструдирования (3D-печати) приведены в таблице 1, физико-механические показатели для составов приведены в таблице 2.

Из приведенных данных следует, что максимальные значения показателей формоустойчивости напечатанных слоев из сырьевой смеси, предела прочности при изгибе, водопоглощения затвердевших композитов достигаются при содержании в составе сырьевой смеси портландцемента – 21,0-24,0% от общей массы композиции, песка – 61,32-64,87%, суперпластификатора «MasterGlenium 115» – 0,21-0,24%, тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина – 2,1-2,4%, метилсилантриол калиевой соли «ГКЖ-11К» – 0,010-0,012%, воды – 11,810-12,028%. При введении портландцемента, суперпластификатора «MasterGlenium 115», тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина, метилсилантриол калиевой соли «ГКЖ-11К», в количестве меньше указанных в таблице 1 (состав 4), наблюдается снижение показателей исследуемых свойств по сравнению с заявляемыми пределами. При их введении, в количестве больше указанных в таблице 1 (состав 6), исследуемые свойства композиций, напечатанных на 3D-принтере, снижаются или увеличиваются незначительно. В составах сырьевых смесей для строительной 3D-печати (составы 1, 4-7) отсутствуют усадочные трещины, в составах 1, 3-7 отсутствуют дефекты в виде разрывов.

Сырьевая смесь для послойного экструдирования (3D-печати), полученная согласно предлагаемому изобретению, обладает пониженным расходом портландцемента и суперпластификатора, повышенной формоустойчивостью и отсутствием дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из сырьевой смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, изделия – высокими прочностными характеристиками при изгибе, отсутствием усадочных трещин, низким водопоглощением.

Применение песка средней крупности с модулем крупности 2,2-2,4 в сочетании с уменьшенным цементно-песчаным отношением позволяет снизить развитие усадочных деформаций композита, сформованного методом послойного экструдирования (3D-печати). Кроме того, уменьшенное цементно-песчаное отношение позволяет снизить расход портландцемента в сырьевой смеси при обеспечении формуемости на 3D-принтере и физико-механических показателей.

Применение суперпластификатора «MasterGlenium 115» на основе поликарбоксилатных эфиров в количестве 0,21-0,24 мас.% позволяет сократить количество воды затворения, повысить плотность смеси и физико-механические характеристики затвердевшего композита при одновременном обеспечении оптимальных реотехнологических свойств сырьевой смеси для ее послойного экструдирования.

Введение тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина со степенью помола не менее 2000 м²/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г позволяет улучшить формуемость сырьевой смеси за счет обеспечения связности, однородности и пластичности, что способствует получению затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере, с пониженными усадочными деформациями и отсутствием на них дефектов.

Применение метилсилантриол калиевой соли «ГКЖ-11К» в количестве 0,010-0,012 мас.% позволяет снизить водопоглощение затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере (без использования форм), за счет придания стенкам капилляров и пор водоотталкивающей способности.

Совместное использование суперпластификатора «MasterGlenium 115» в количестве 0,21-0,24 мас.%, метакаолина со степенью помола не менее 2000 м²/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г в количестве 2,1-2,4 мас.%, метилсилантриол калиевой соли «ГКЖ-11К» в количестве 0,010-0,012 мас.% способствует приданию сырьевой смеси оптимальных реотехнологических свойств, повышению формоустойчивости напечатанных слоев из сырьевой смеси, физико-механических показателей (повышение предела прочности при изгибе, снижение водопоглощения) затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет получить сырьевую смесь для послойного экструдирования (3D-печати) с пониженным расходом портландцемента и суперпластификатора, обладающую высокой формоустойчивостью, и изделия на ее основе с высокими прочностными характеристиками при изгибе, низким водопоглощением, пониженными усадочными деформациями и отсутствием на них дефектов.

Источники информации:

1. Патент CN 105753404 A, B33Y 70/00, Cement-based material used for building 3D (three-dimensional) printing, заявл. 13.02.2016, опубл. 13.07.2016.

2. Патент CN 108715531 A, C04B 28/02, A kind of high thixotropic 3D printing concrete and preparation method thereof, заявл. 12.06.2018, опубл. 28.08.2020.

3. Патент RU 2661970, С04В 28/04, C04B 14/02, С04В 22/08, С04В 26/00, С04В 2111/20, С04В 2111/343, Модифицированный полимерцементный композиционный материал для 3D-печати, Полуэктова В.А., Шаповалов Н.А., Черников Р.О., Евтушенко Е.И., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет», заявл. 31.07.2017, опубл. 23.07.2018, бюл. №21.

4. Патент RU 2729086, С04В 28/04, Двухфазная смесь на основе цемента для композитов в технологии строительной 3D-печати, Славчева Г.С., Артамонова О.В., Шведова М.А., Бритвина Е.А., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет», заявл. 21.10.2019, опубл. 04.08.2020, бюл. №22.

Изобретение относится к области промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных изделий и конструкций в технологии аддитивного производства методом послойного экструдирования (3D-печати) сырьевой смеси. Сырьевая смесь для послойного экструдирования - 3D-печати включает, мас.%: портландцемент, содержащий, мас.%: трехкальциевый силикат 68,1, трехкальциевый алюминат 7,2, 21,0-24,0, кварцевый песок с модулем крупности 2,2-2,4 и влажностью 1-2% 61,32-64,87, суперпластификатор «MasterGlenium 115» на основе поликарбоксилатных эфиров 0,21-0,24, тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м²/кг 2,1-2,4, метилсилантриол калиевую соль «ГКЖ-11К» 0,010-0,012, воду 11,810-12,028. Технический результат – снижение расхода портландцемента и суперпластификатора в сырьевой смеси, повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев из сырьевой смеси с возможностью ее экструдирования на строительных 3D-принтерах, реализующих метод послойного экструдирования, снижение усадочных деформаций, водопоглощения и повышение предела прочности при изгибе затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере. 2 табл.

Сырьевая смесь для послойного экструдирования - 3D-печати, включающая портландцемент, песок, суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров и воду, отличающаяся тем, что используют портландцемент, содержащий, мас.%: трехкальциевый силикат 68,1, трехкальциевый алюминат 7,2, в качестве песка используют кварцевый песок с модулем крупности 2,2-2,4 и влажностью 1-2%, в качестве суперпластификатора на основе поликарбоксилатных эфиров используют суперпластификатор «MasterGlenium 115», и дополнительно она содержит тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м²/кг и метилсилантриол калиевую соль «ГКЖ-11К» при следующем содержании компонентов, мас.%:

Указанный портландцемент 21,0-24,0 Указанный песок 61,32-64,87 Суперпластификатор «MasterGlenium 115» 0,21-0,24 Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 2,1-2,4 Метилсилантриол калиевая соль «ГКЖ-11К» 0,010-0,012 Вода 11,810-12,028