Способ 3D-печати бетоном Российский патент 2023 года по МПК E04B2/84 B28B1/00 B33Y10/00 C04B28/04 C04B111/20 

Описание патента на изобретение RU2795632C1

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений.

Известен способ возведения бетонной стены, по которому послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом [1]. Недостатками данного изобретения являются невозможность организации длительных технологических перерывов вследствие снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва. Кроме того, высокая трудоемкость выполнения процессов армирования приводит к увеличению продолжительности и стоимости работ.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является способ возведения монолитного здания, сооружения методом 3D печати, включающий приготовление бетонной смеси, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и послойную укладку в проектное положение, с позиционированием в тело филамента гибких армирующих элементов в виде витых или плетеных арматурных канатов из полимерных или минеральных волокон для непрерывного и/или дискретного армирования бетонной смеси [2].

Недостатками данного изобретения являются невозможность организации длительных технологических перерывов, потребность которых вызвана необходимостью набора пластической прочности, обеспечением формоустойчивости напечатанных слоев и требуемых геометрических параметров, вследствие чего снижается адгезия слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, что вызывает образование холодных швов и снижает качество готовой продукции. Кроме того, наличие процессов позиционирования в тело филамента гибких армирующих элементов, обуславливает высокую сложность осуществления изобретения.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет повышения адгезии слоев, исключающего образование холодных швов, при одновременном упрощении аддитивного производства за счет исключения сложных технологических операций, связанных с армированием.

Техническим результатом предлагаемого решения является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.

Поставленная задача достигается тем, что способ 3D-печати бетоном, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение, отличается тем, что осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов, тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2 /кг, кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:

Портландцемент
Указанный песок
Суперпластификатор «Полипласт БФ»
Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин
Кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия
Вода
20,0-30,0
44,4-69,8
0,2-0,4
1,0-9,0
0,1-0,8
8,9-15,7

Для изготовления бетонной смеси для 3D-печати использовали следующие материалы:

- портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: С3S - 68,1 %, С2S - 9,4 %, С3А - 7,2 %, С4AF - 11 %;

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

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Для изготовления модифицированной бетонной смеси для 3D-печати переходного слоя использовали следующие материалы:

- портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Азия Цемент» (ГОСТ 31108-2016) со следующим минералогическим составом: С3S - 68,1 %, С3S - 9,4 %, С3А - 7,2 %, С4AF - 11 %;

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

- суперпластификатор на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов «Полипласт БФ» производства ООО «Полипласт Казань», представляющий собой жидкость темно-коричневого цвета плотностью при 20°C 1,18 г/см3, pH - 8;

- 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;

- метилсиликонат калия производства ПАО «Химпром», представляющий собой темно-коричневую жидкость плотностью 1,3-1,4 г/см3;

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом:

1. Производят приготовление бетонной смеси для 3D-печати: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты бетонной смеси - портландцемент, песок и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды и добавляют ее к сухим компонентам, осуществляя перемешивание до получения однородной массы.

2. Производят подготовку 3D-принтера: внутреннюю поверхность съемного накопительного бункера смачивают водопроводной питьевой водой или разделительной смазкой.

3. Заполняют накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной бетонной смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата.

4. Осуществляют выдавливание бетонной смеси методом послойной экструзии (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») и ее укладку в проектное положение в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью.

5. Производят приготовление модифицированной бетонной смеси для 3D-печати переходного слоя: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты модифицированной бетонной смеси - портландцемент, песок, тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды, суперпластификатора «Полипласт БФ», кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия, производят их перемешивание до получения однородного раствора и постепенно добавляют его к тщательно перемешанным сухим компонентам, осуществляя перемешивание смеси до получения однородной массы.

6. Заполняют накопительный бункер строительного 3D-принтера приготовленной модифицированной бетонной смесью и осуществляют пробное экструдирование до достижения однородности получаемого экструдата.

7. Осуществляют выдавливание модифицированной бетонной смеси переходного слоя методом послойной экструзии (3D-печати) на строительном 3D-принтере (например, «АМТ» S-6044 компании ООО «СПЕЦАВИА») и ее укладку в проектное положение в соответствии с заранее подготовленной трехмерной цифровой моделью.

8. Осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с промывкой накопительного бункера строительного 3D-принтера.

9. После завершения технологического перерыва осуществляют формование бетонной смеси методом послойного экструдирования (3D-печати) на строительном 3D-принтере в соответствии с п.п. 1-4.

Адгезию напечатанных слоев определяли через 28 суток нормального твердения при помощи измерителя адгезии «ПСО-10МГ4С» методом нормального отрыва стальных дисков (пластин) в соответствии с ГОСТ Р 58277-2018 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний». Образцы для испытаний представляли собой полосы длиной 100 мм шириной 50 мм, напечатанные в два слоя: 1 - бетонная смесь; 2 - модифицированная бетонная смесь (переходной слой).

Также были проведены испытания образцов по прототипу [1].

Составы модифицированных бетонных смесей (переходного слоя) приведены в таблице 1, показатели адгезии слоев при различных продолжительностях технологических перерывов приведены в таблице 2.

Таблица 1 Компоненты Составы модифицированных бетонных смесей (переходного слоя), мас. % 1 2 3 4 5 6 (прототип) Портландцемент 20,0 20,0 25,0 30,0 30,0 25,0 Песок 69,63 69,8 56,85 44,4 44,4 61,6 Суперпластификатор - «Полипласт БФ» 0,05 0,2 0,3 0,4 0,6 Тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин 0,5 1 5 9 11 Кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия 0,02 0,1 0,8 0,5 0,6 Вода 9,8 8,9 12,05 15,7 13,4 13,4

Таблица 2 Продолжительность технологического перерыва, мин Адгезия слоев, МПа 1 2 3 4 5 6 (прототип) 10 0,43 0,48 0,51 0,56 0,52 0,41 360 0,37 0,40 0,43 0,49 0,45 0,34 720 0,26 0,32 0,39 0,46 0,40 0,26

Из приведенных данных следует, что максимальные показатели адгезии напечатанных слоев достигаются при содержании в составе модифицированной бетонной смеси портландцемента - 20,0-30,0 % от общей массы композиции, песка - 44,4-69,8 %, суперпластификатора «Полипласт БФ» - 0,2-0,4 %, тонкомолотого пуццоланового компонента - метакаолина - 1,0-9,0 %,кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия - 0,1-0,8 %, воды - 8,9-15,7 %. При введении суперпластификатора «Полипласт БФ», тонкомолотого пуццоланового компонента - метакаолина, кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия, в количестве меньше указанных в таблице 1 (состав 1), наблюдается снижение показателей адгезии по сравнению с заявляемыми пределами. При их введении, в количествах больше указанных в таблице 1 (состав 5), показатели адгезии слоев, напечатанных на 3D-принтере, снижаются.

Способ 3D-печати бетоном, согласно предлагаемому изобретению, предоставляет возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.

Применение суперпластификатора «Полипласт БФ» позволяет сократить количество воды затворения, улучшить пластичность модифицированной бетонной смеси, повысить ее плотность и величину адгезии затвердевшего композита при когезионном разрушении.

Введение тонкомолотового пуццоланового компонента - метакаолина со степенью помола не менее 2000 м2/кг, гидравлической активностью не менее 1200 мг/г позволяет улучшить однородность и связность смеси, повысить адгезионную прочность композитов за счет более плотной упаковки частиц, взаимодействия с портландитом и увеличении количества низкоосновных гидросиликатов кальция.

Применение кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия позволяет замедлить кинетику структурообразования, снизить потери химически несвязанной воды в процессе технологического перерыва.

Совместное применение суперпластификатора - «Полипласт БФ», тонкомолотого пуццоланового компонента - метакаолина, кремнийорганического соединения - метилсиликоната калия позволяет достичь синергетического эффекта, выражающегося в улучшении пластичности, однородности и связности модифицированной бетонной смеси, повышении ее плотности и прочности, замедлении кинетики структурообразования, снижении потерь химически несвязанной воды в процессе технологического перерыва, что способствует увеличению площади межфазного контакта слоев, напечатанных до и после технологического перерыва с переходным слоем, и приводит к повышению показателя адгезии затвердевших слоев.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить высокое качество строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет повышения адгезии слоев, исключающего образование холодных швов, при одновременном упрощении аддитивного производства за счет исключения сложных технологических операций, связанных с армированием.

Источники информации:

1. Патент, RU 2 725 716, Е04В 2/84, В33Y 30/00, Способ возведения армированной бетонной стены на 3D-принтере, Мухаметрахимов Р.Х., Лукманова Л.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заяв. 23.12.2019, опубл. 03.07.2020, бюл. №19.

2. Патент, RU 2 683 447, E04C 5/07, C04B 7/52, Способ возведения монолитного здания, сооружения методом 3D-печати и устройство для его осуществления, Джантимиров Х.А., Звездов А.И, Джантимиров П.Х., патентообладатель Акционерное общество «Научно-исследовательский центр «Строительство», заяв. 05.12.2017, опубл. 28.03.2019, бюл. №10.

Похожие патенты RU2795632C1

название год авторы номер документа
Способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
RU2792455C1
Способ аддитивного строительного производства экструзией материала 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
RU2789119C1
СПОСОБ СТРОИТЕЛЬНОЙ 3D-ПЕЧАТИ 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
  • Галаутдинов Альберт Радикович
RU2786192C1
Способ аддитивного строительного производства 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
  • Сафина Алина Даниловна
RU2791841C1
Способ 3D-печати бетоном с длительным технологическим перерывом 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
RU2794037C1
Способ 3D-печати модифицированной бетонной смесью 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
RU2795274C1
Способ аддитивного производства в строительстве с длительным технологическим перерывом 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
RU2793497C1
Способ аддитивного производства в строительстве 2022
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
RU2789220C1
СПОСОБ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПЕРЕРЫВА 2023
  • Зиганшина Лилия Валиевна
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
RU2817919C1
СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ 3D-ПЕЧАТИ 2021
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Зиганшина Лилия Валиевна
RU2780276C1

Реферат патента 2023 года Способ 3D-печати бетоном

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Технический результат - возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции. Способ 3D-печати бетоном включает приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение. При этом осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 мин с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов, тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг, кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия и воду при определенном содержании компонентов. 2 табл.

Формула изобретения RU 2 795 632 C1

Способ 3D-печати бетоном, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение, отличающийся тем, что осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 мин с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов, тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг, кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:

Портландцемент 20,0-30,0 Указанный песок 44,4-69,8 Суперпластификатор «Полипласт БФ» 0,2-0,4 Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 1,0-9,0 Кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия 0,1-0,8 Вода 8,9-15,7

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2795632C1

СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ МОНОЛИТНОГО ЗДАНИЯ, СООРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ 3D ПЕЧАТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2017
  • Джантимиров Христофор Авдеевич
  • Звездов Андрей Иванович
  • Джантимиров Петр Христофорович
RU2683447C1
СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ АРМИРОВАННОЙ БЕТОННОЙ СТЕНЫ НА 3D-ПРИНТЕРЕ 2019
  • Мухаметрахимов Рустем Ханифович
  • Лукманова Лидия Валиевна
RU2725716C1
Двухфазная смесь на основе цемента для композитов в технологии строительной 3D-печати 2019
  • Славчева Галина Станиславовна
  • Артамонова Ольга Владимировна
  • Шведова Мария Александровна
  • Бритвина Екатерина Алексеевна
RU2729086C1
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ 2017
  • Полуэктова Валентина Анатольевна
  • Шаповалов Николай Афанасьевич
  • Черников Роман Олегович
  • Евтушенко Евгений Иванович
RU2661970C1
EP 3284879 A4, 06.06.2018
KR 102194848 B1, 23.12.2020
Лунева Д.А., Технология 3D-печати с использованием метода послойного экструдирования в строительстве, Современные технологии в строительстве, Теория и практика, 2017 г., vol
Пуговица 0
  • Эйман Е.Ф.
SU83A1

RU 2 795 632 C1

Авторы

Мухаметрахимов Рустем Ханифович

Даты

2023-05-05Публикация

2022-11-01Подача