Способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии с регулируемой продолжительностью технологического перерыва Российский патент 2024 года по МПК E04G21/04 B33Y10/00 C04B28/04 E04B2/84 B33Y70/00 

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 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 [1]. 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.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии, 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, приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществление технологического перерыва 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 (20,0-30,0 мас.%), кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 (44,4-69,8 мас.%), суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов (0,2-0,4 мас.%), тонкомолотый пуццолановый компонент диатомит с гидравлической активностью не менее 1500 мг/г, степенью помола не менее 1400 м² /кг (2-6 мас.%), кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия (0,1-0,8 мас.%) и воду (7,9-18,7 мас.%) [2].

Недостатками данного изобретения являются невозможность регулирования технологического перерыва, а именно сокращения его продолжительности, которая зависит от скорости набора бетоном переходного слоя требуемой пластической прочности, что приводит к замедлению скорости наращивания слоев при аддитивном строительном производстве и увеличению продолжительности возведения строительной продукции.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности регулирования продолжительности технологического перерыва методом послойной экструзии при осуществлении длительных технологических перерывов за счет увеличения средней скорости набора критической пластической прочности бетона переходного слоя при одновременном обеспечении высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет обеспечения высокого показателя адгезии слоев (0,5-1,5 МПа), исключающего образование холодных швов.

Техническим результатом предлагаемого решения является обеспечение возможности регулирования продолжительности технологического перерыва методом послойной экструзии при осуществлении длительных технологических перерывов за счет увеличения средней скорости набора критической пластической прочности бетона переходного слоя при одновременном обеспечении высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет обеспечения высокого показателя адгезии слоев (0,5-1,5 МПа), исключающего образование холодных швов.

Поставленная задача достигается тем, что способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии с регулируемой продолжительностью технологического перерыва, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера с укладкой в проектное положение, приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя, содержащей в мас.%: портландцемент 20-30, кварцевый песок 44,4-69,8, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов 0,2-0,4, тонкомолотый пуццолановый компонент – диатомит с гидравлической активностью не менее 1500 мг/г, степенью помола не менее 1400 м² /кг 2-6, кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия 0,1-0,8 и воду 7,9-18,7, её укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществление технологического перерыва с последующим возобновлением укладки указанного филамента, отличается тем, что перед укладкой переходного слоя поверх ранее уложенного слоя филамента осуществляют укладку стальных электродов, во время осуществления технологического перерыва осуществляют воздействие на уложенные слои электрического поля, создаваемого при пропускании переменного электрического тока через модифицированную бетонную смесь посредством подключения электродов к источнику питания - однофазному переносному сварочному трансформатору «BlueWeldGamma 4.181», при этом продолжительность воздействия электрического поля составляет 0,1-3 часа.

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: C₃S – 68,1%, C₂S – 9,4%, С₃А – 7,2%, C₄AF – 11%;

- кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 2,3 (ГОСТ 8736-2014).

- 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: C₃S – 68,1%, C₂S – 9,4%, С₃А – 7,2%, C₄AF – 11%;

- кварцевый песок Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан с модулем крупности 2,3 (ГОСТ 8736-2014).

- 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 – диатомит с гидравлической активностью не менее 1500 мг/г, степенью помола не менее 1400 м²/кг (СТО 23998461-020-2018). Для приготовления образцов использовали диатомит с гидравлической активностью 1553,7 мг/г, степенью помола 1443 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.

В качестве источника питания для воздействия на уложенные слои электрического поля использовали однофазный переносной сварочный трансформатор «Blue Weld Gamma 4.181» переменного тока с воздушным охлаждением со следующими техническими характеристиками: напряжение – 220 В, максимальная мощность – 2,5 кВт, максимальный ток – 160 А, минимальный ток – 55 А, количество постов – 1, вес нетто – 15,8 кг, габариты – 370х250х310 мм. В качестве электродов использовали стальные стержни диаметром 6 мм, которые укладывали с шагом 100 мм – 300 мм на слой, уложенный ранее переходного слоя.

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 укладку стальных электродов поверх слоя, предшествующего переходному слою.

6. 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 – диатомит 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.

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

8. 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.

9. Осуществляют технологический перерыв с промывкой накопительного бункера строительного 3D-принтера.

10. Во время технологического перерыва осуществляют подключение электродов к источнику питания, пропускание переменного электрического тока через модифицированную бетонную смесь в течение 0,1-3 ч.

11. Осуществляют формование бетонной смеси методом послойной экструзии (3D-печати) на строительном 3D-принтере в соответствии с п.п. 1-4.

Пластическую прочность бетонной смеси определяли в соответствии с требованиями ASTM C403 “Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistance” по сопротивлению сырьевой смеси к проникновению плунжера карманного пенетрометра С194 диаметром поперечного сечения 6,35 мм через одинаковые интервалы времени.

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 три слоя: 1 – бетонная смесь; 2 – переходной слой из модифицированной бетонной смеси, через которую пропускали переменный электрический ток посредством подключения электродов; 3 – бетонная смесь.

Среднюю скорость набора критической пластической прочности бетона переходного слоя определяли по отношению ее величины, равной 3000 кПа, при которой обеспечивается способность выдерживания веса вышележащих слоев без образования дефектов к продолжительности ее набора с момента начала воздействия электрического поля.

Также были проведены испытания образцов по прототипу [2].

Показатели средней скорости набора критической пластической прочности бетона переходного слоя, адгезии напечатанных слоев из бетонной смеси, возможности регулирования продолжительности технологического перерыва приведены в таблице 1.

Таблица 1

Свойства Показатели для способов 1 2 (прототип) Средняя скорость набора критической пластической прочности бетона переходного слоя, кПа/мин 54,7 3,3 Адгезия напечатанных слоев из бетонной смеси и модифицированной бетонной смеси при технологическом перерыве в 360 минут, МПа 0,58 0,54 Возможность регулирования продолжительности технологического перерыва да нет

Из приведенных данных следует, что средняя скорость набора критической пластической прочности бетона переходного слоя возрастает в 16,6 раз, обеспечивается возможность регулирования продолжительности технологического перерыва по сравнению с прототипом, а также обеспечивается высокий показатель адгезии слоев, исключающий образование холодных швов.

Способ аддитивного производства в строительстве согласно предлагаемому изобретению приводит к возможности регулирования продолжительности технологического перерыва при осуществлении длительных технологических перерывов за счет увеличения средней скорости набора критической пластической прочности бетона переходного слоя при одновременном обеспечении высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет обеспечения высокого показателя адгезии слоев, исключающего образование холодных швов.

Воздействие на уложенные слои электрического поля, создаваемого при пропускании переменного электрического тока через бетонную смесь посредством подключения электродов, позволяет увеличить среднюю скорость набора критической пластической прочности бетона переходного слоя, что приводит к возможности регулирования продолжительности технологического перерыва при аддитивном производстве в строительстве.

По мере повышения температуры модифицированной бетонной смеси в процессе воздействия электрического поля происходит ускорение химических реакций, протекающих при гидратации клинкерных минералов, интенсифицируются процессы формирования коагуляционной и кристаллизационной структуры бетона, обеспечивается адгезия слоев.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет получить качественную строительную продукцию, формуемую методом послойной экструзии (3D-печати) с регулируемой продолжительностью технологических перерывов.

Источники информации

1. Патент, RU 2683447, 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.

2. Патент, RU 2792455, E04B 2/84, B28B 1/00, B33Y 10/00, C04B 28/04, C04B 111/20, Способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии, Мухаметрахимов Р.Х., Зиганшина Л.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заяв. 01.11.2022, опубл. 22.03.2023, бюл. №9.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Техническим результатом является обеспечение возможности регулирования продолжительности технологического перерыва методом послойной экструзии при осуществлении длительных технологических перерывов за счет увеличения средней скорости набора критической пластической прочности бетона переходного слоя при одновременном обеспечении высокого качества строительной продукции при длительных технологических перерывах строительной 3D-печати, за счет обеспечения высокого показателя адгезии слоев (0,5-1,5 МПа), исключающего образование холодных швов. Технический результат достигается тем, что представлен способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии с регулируемой продолжительностью технологического перерыва, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера с укладкой в проектное положение, приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя, содержащей, мас.%: портландцемент 20-30, кварцевый песок 44,4-69,8, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов 0,2-0,4, тонкомолотый пуццолановый компонент диатомит с гидравлической активностью не менее 1500 мг/г, степенью помола не менее 1400 м²/кг 2-6, кремнийорганическое соединение метилсиликонат калия 0,1-0,8 и воду 7,9-18,7, ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществление технологического перерыва с последующим возобновлением укладки указанного филамента, при этом перед укладкой переходного слоя поверх ранее уложенного слоя филамента осуществляют укладку стальных электродов, во время осуществления технологического перерыва осуществляют воздействие на уложенные слои электрического поля, создаваемого при пропускании переменного электрического тока через модифицированную бетонную смесь посредством подключения электродов к источнику питания - однофазному переносному сварочному трансформатору «BlueWeldGamma 4.181», при этом продолжительность воздействия электрического поля составляет 0,1-3 ч. 1 табл.

Способ строительной 3D-печати методом послойной экструзии с регулируемой продолжительностью технологического перерыва, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера с укладкой в проектное положение, приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя, содержащей, мас.%: портландцемент 20-30, кварцевый песок 44,4-69,8, суперпластификатор «Полипласт БФ» на основе поверхностно-активных натриевых солей и алкилсульфатов 0,2-0,4, тонкомолотый пуццолановый компонент диатомит с гидравлической активностью не менее 1500 мг/г, степенью помола не менее 1400 м²/кг 2-6, кремнийорганическое соединение метилсиликонат калия 0,1-0,8 и воду 7,9-18,7, ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществление технологического перерыва с последующим возобновлением укладки указанного филамента, отличающийся тем, что перед укладкой переходного слоя поверх ранее уложенного слоя филамента осуществляют укладку стальных электродов, во время осуществления технологического перерыва осуществляют воздействие на уложенные слои электрического поля, создаваемого при пропускании переменного электрического тока через модифицированную бетонную смесь посредством подключения электродов к источнику питания - однофазному переносному сварочному трансформатору «BlueWeldGamma 4.181», при этом продолжительность воздействия электрического поля составляет 0,1-3 ч.