Technique and technology of silicates Technique and technology of silicates Техника и технология силикатов 2076-0655 91049 10.62980/2076-0655-2024-313-322 zaqlzo ОСНОВНАЯ РУБРИКА MAIN RUBRIC ОСНОВНАЯ РУБРИКА STRUCTURING ROLE OF MICROCALCITE IN 3D PRINTABLE CEMENT COMPOSITIONS СТРУКТУРООБРАЗУЮЩАЯ РОЛЬ МИКРОКАЛЬЦИТА В ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ Славчева Галина Станиславовна Slavcheva Galina Stanislavovna gslavcheva@yandex.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Солонина Валентина Анатольевна Solonina Valentina Anatolievna soloninava@tyuiu.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Панченко Юлия Федоровна Panchenko Yulia Fedorovna panchenkojf@tyuiu.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Орлов Виктор Сергеевич Orlov Victor Sergeevich orlovvs1@tyuiu.ru Филипенко Павел Васильевич Filipenko Pavel Vasilievich filipenkopv@tyuiu.ru Тюменский индустриальный университет Tyumen Industrial University 24 11 2024 24 11 2024 31 4 313 322 15 10 2024 29 10 2024 https://tsilicates.ru/en/nauka/article/91049/view

Рассмотрена актуальная для технологии строительной 3D-печати проблема структурообразования и твердения сме-сей. В качестве объектов исследования использованы системы твердения «цемент – микрокальцит – модифицирующие добавки». Цемент и микрокальцит, как основные компоненты систем твердения, характеризовались сходными размерно-геометрическими характеристиками. В составах смесей соблюдалось постоянство массового соотношения вяжущего и наполнителя, варьировался вид модификатора. В качестве модификаторов использованы комплексные добавки на основе наночастиц Al2O3·SiO2, SiO2, пирофосфата калия. Для исследования фазового состава, микроструктуры гидратных ново-образований применялись методы рентгенофазового анализа. Кинетика твердения цементных композиций оценивалась по результатам испытаний образцов на сжатие в возрасте 1, 3, 7, 14, 28, 60 и 90 суток. Установлено, что эффективным является применение модифицирующих добавок на основе наночастиц Al2O3·SiO2, SiO2, так как они способствуют счет вовлечению микрокальцита в процессы структурообразования твердеющих систем. При этом обеспечивается изменение баланса между гидратными новообразованиями в структуре в сторону увеличения содержания CSH-фаз с величиной С/S=0,5. Наиболее высокими значениями предела прочности при сжатии как на начальном этапе твердения (Rсж = 25 МПа в 1 сутки), так и в длительные сроки обладают цементные системы с микрокальцитом модифицированные добавкой на основе наночастиц Al2O3·SiO2 (Rсж = 58 МПа в 90 суток). Системы с добавками модификаторов на основе SiO2 и пиро-фосфата калия характеризуются невысокой прочностью на начальном этапе твердения (Rсж = 2 - 10 МПа в 1 сутки); сходными ее значениями в длительные сроки (Rсж = 40 – 45 МПа).

The article deals with the current problem of structure formation and hardening of for 3D printable mixtures. The objects of the research are the hardening systems “cement - microcalcite - modifying additives”. Cement and microcalcite, as the main com-ponents of hardening systems, were characterized by similar dimensional and geometric features. The mass ratio of binder and filler was constant in the composition of mixtures, but the modifier type was varied. Complex additives based on nanoparticles Al2O3·SiO2, SiO2, potassium pyrophosphate were used as modifiers. X-ray method was applied to study the phase composition and microstructure of hydration products. The hardening kinetics of cement systems was evaluated according to the compression tests of samples at the age of 1, 3, 7, 14, 28, 60 and 90 days. It has been stated that the use of modifying additives with Al2O3·SiO2, SiO2 nanoparticles is effective, as they make microcalcite involved in the structure formation of hardening systems. Also, the bal-ance between hydration products in the structure is shifted towards an increase in the content of CSH-phases with the value of C/S=0.5. The highest values of compressive strength both at the initial stage of hardening (Rc = 25 MPa in 1 day) and in the long term are typical for cement systems with microcalcite modified by the additive based on nanoparticles Al2O3·SiO2 (Rc = 58 MPa in 90 days). Systems with SiO2 and potassium pyrophosphate-based modifiers are characterized by low strength at the initial stage of hardening (Rc = 2 - 10 MPa in 1 day); its values are similar in a long-term period (Rc = 40 - 45 MPa).

 аддитивные технологии смеси для 3D-печати наполнители структурообразование прочность additive technologies mixtures for 3D printing fillers structure formation strength Работа выполнена в рамках реализации государственного задания Минобрнауки России в сфере науки на выполнение научных проектов, реализуемых коллективами научных лабораторий образовательных органи-заций высшего образования по проекту «Новые материалы и технологии возведения зданий, сооружений и их элементов с применением роботизированных аддитивных систем» (№ FEWN-2023-0004). The work was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Education and Science of Russia in the field of science for scientific projects implemented by teams of scientific laboratories of educational or-ganizations of higher education under the project “New materials and technologies for the construction of buildings, structures and their elements using robotic additive systems” (№ FEWN-2023-0004).

Saruhan V., Keskinateş M. and Felekoğlu B. A comprehensive review on fresh state rheological properties of extrusion mortars designed for 3D printing applications. Construction and Build-ing Materials. – 2022. Vol. 337. 127629. Saruhan V., Keskinateş M. and Felekoğlu B. A comprehensive review on fresh state rheological properties of extrusion mortars designed for 3D printing applications. Construction and Build-ing Materials. – 2022. Vol. 337. 127629. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения бетонов // Строительные материалы – 2011, №3 – С. 103–106. Kalashnikov V.I. Terminologiya nauki o betone novogo pokoleniya betonov // Stroitel'nye materialy – 2011, №3 – S. 103–106. Tao Y., Lesage K., Van Tittelboom K., Yuan Y. and De Schut-ter G. Effect of limestone powder substitution on fresh and hard-ened properties of 3D printable mortar. In Second RILEM Inter-national Conference on Concrete and Digital Fabrication: Digital Concrete. – 2020. Vol. 2. Pp. 135–143. Tao Y., Lesage K., Van Tittelboom K., Yuan Y. and De Schut-ter G. Effect of limestone powder substitution on fresh and hard-ened properties of 3D printable mortar. In Second RILEM Inter-national Conference on Concrete and Digital Fabrication: Digital Concrete. – 2020. Vol. 2. Pp. 135–143. Paul S.C., Tay Y.W.D., Panda B. et al. Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction. Archives of civil and mechanical engineering. – 2018. Vol. 18. Pp. 311–319. Paul S.C., Tay Y.W.D., Panda B. et al. Fresh and hardened properties of 3D printable cementitious materials for building and construction. Archives of civil and mechanical engineering. – 2018. Vol. 18. Pp. 311–319. Manikandan K., Wi K., Zhang X. et al. Characterizing cement mixtures for concrete 3D printing. Manufacturing Letters. – 2020. Vol. 24. Pp. 33–37. Manikandan K., Wi K., Zhang X. et al. Characterizing cement mixtures for concrete 3D printing. Manufacturing Letters. – 2020. Vol. 24. Pp. 33–37. Lee H., Kim J.HJ., Moon J.H., Kim W.W. and Seo E.A. Evalua-tion of the Mechanical Properties of a 3D-Printed Mortar. Mate-rials. – 2019. Vol. 12 (24). 4104. Lee H., Kim J.HJ., Moon J.H., Kim W.W. and Seo E.A. Evalua-tion of the Mechanical Properties of a 3D-Printed Mortar. Mate-rials. – 2019. Vol. 12 (24). 4104. Rahul A.V., Santhanam M., Meena H. and Ghani Z. 3D printa-ble concrete: Mixture design and test methods. Cement and Con-crete Composites. – 2019. Vol. 97. Pp.13–23. Rahul A.V., Santhanam M., Meena H. and Ghani Z. 3D printa-ble concrete: Mixture design and test methods. Cement and Con-crete Composites. – 2019. Vol. 97. Pp.13–23. Ma G., Li Z., Wang L., Wang F. and Sanjayan J. Mechanical anisotropy of aligned fiber reinforced composite for extrusion-based 3D printing. Construction and Building Materials. – 2019. Vol. 202. Pp. 770–783. Ma G., Li Z., Wang L., Wang F. and Sanjayan J. Mechanical anisotropy of aligned fiber reinforced composite for extrusion-based 3D printing. Construction and Building Materials. – 2019. Vol. 202. Pp. 770–783. Rahul A.V. and Santhanam M. Evaluating the printability of concretes containing lightweight coarse aggregates. Cement and Concrete Composites. – 2020. Vol. 109. 103570. Rahul A.V. and Santhanam M. Evaluating the printability of concretes containing lightweight coarse aggregates. Cement and Concrete Composites. – 2020. Vol. 109. 103570. Manikandan K., Wi K., Zhang X., Wang K., and Qin H. Char-acterizing cement mixtures for concrete 3D printing. Manufac-turing Letters. – 2020. Vol. 24. Pp. 33–37. Manikandan K., Wi K., Zhang X., Wang K., and Qin H. Char-acterizing cement mixtures for concrete 3D printing. Manufac-turing Letters. – 2020. Vol. 24. Pp. 33–37. Kazemian A., Yuan X., Cochran E., and Khoshnevis B. Ce-mentitious materials for construction-scale 3D printing: Labora-tory testing of fresh printing mixture. Construction and Build-ing Materials. – 2017. Vol. 145. Pp. 639–647. Kazemian A., Yuan X., Cochran E., and Khoshnevis B. Ce-mentitious materials for construction-scale 3D printing: Labora-tory testing of fresh printing mixture. Construction and Build-ing Materials. – 2017. Vol. 145. Pp. 639–647. Arunothayan R., Nematollahi B., Bong S. H., Ranade R. and Sanjayan J. Hardened properties of 3d printable ultra-high-performance fiber-reinforced concrete for digital construction applications. In Rheology and Processing of Construction Mate-rials: RheoCon2 & SCC9 – 2020. Vol. 2. Pp. 355-362. Arunothayan R., Nematollahi B., Bong S. H., Ranade R. and Sanjayan J. Hardened properties of 3d printable ultra-high-performance fiber-reinforced concrete for digital construction applications. In Rheology and Processing of Construction Mate-rials: RheoCon2 & SCC9 – 2020. Vol. 2. Pp. 355-362. Zhang Y., Zhang Y., She W., Yang L., Liu G. and Yang Y. Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing concrete. Construction and Building Materials. – 2019. Vol. 201. Pp. 278–285. Zhang Y., Zhang Y., She W., Yang L., Liu G. and Yang Y. Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing concrete. Construction and Building Materials. – 2019. Vol. 201. Pp. 278–285. Шейнфельд А.В. Научные основы модифицирования бетонов комплексными органоминеральными добавками на основе техногенных пуццоланов и поверхностно-активных веществ: автореферат дис. доктора технических наук: 05.23.05 – Москва, 2015. – 40 с. Sheynfel'd A.V. Nauchnye osnovy modificirovaniya betonov kompleksnymi organomineral'nymi dobavkami na osnove tehnogennyh puccolanov i poverhnostno-aktivnyh veschestv: avtoreferat dis. doktora tehnicheskih nauk: 05.23.05 – Moskva, 2015. – 40 s. Kaprielov S., Sheinfeld A. Influence of silica fume/fly ash/superplasticizer combinations in powder-like complex modifiers on cement paste porosity and concrete properties / В сборнике: American Concrete Institute, ACI Special Publication. 6. Сер. "6th CanMET/ACI Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete". – 2000. – С. 383–400. Kaprielov S., Sheinfeld A. Influence of silica fume/fly ash/superplasticizer combinations in powder-like complex modifiers on cement paste porosity and concrete properties / V sbornike: American Concrete Institute, ACI Special Publication. 6. Ser. "6th CanMET/ACI Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete". – 2000. – S. 383–400. Славчева Г.С., Артамонова О.В., Бабенко Д.С., Шведова М.А. Исследование влияния модификаторов вязкости на структурообразование и твердение цементных композитов для 3D-печати // Конденсированные среды и межфазные границы – 2023, – Т. 25, №1 – С. 112–124. Slavcheva G.S., Artamonova O.V., Babenko D.S., Shvedova M.A. Issledovanie vliyaniya modifikatorov vyazkosti na strukturoobrazovanie i tverdenie cementnyh kompozitov dlya 3D-pechati // Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy – 2023, – T. 25, №1 – S. 112–124. Slavcheva G.S., Artamonova O.V., Shvedova M.A., Britvina E.A. Effect of Viscosity Modifiers on Structure Formation in Cement Systems for Construction 3D Printing. Inorganic Materials. – 2021. Vol. 57. Pp. 94–100. Slavcheva G.S., Artamonova O.V., Shvedova M.A., Britvina E.A. Effect of Viscosity Modifiers on Structure Formation in Cement Systems for Construction 3D Printing. Inorganic Materials. – 2021. Vol. 57. Pp. 94–100. Славчева Г.С., Солонина В.А., Панченко Ю.Ф., Орлов В.С., Филипенко П.В. Микрозернистые смеси для строительной 3d-печати на основе алевропелита // Известия вузов. Строительство – 2023, № 12 – С.37–51. Slavcheva G.S., Solonina V.A., Panchenko Yu.F., Orlov V.S., Filipenko P.V. Mikrozernistye smesi dlya stroitel'noy 3d-pechati na osnove alevropelita // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo – 2023, № 12 – S.37–51. Шпынова Л.Г. Чих В.И., Саницкий М.А. и др.. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня. – Львов: Вища школа. – 1981. 156 с. Shpynova L.G. Chih V.I., Sanickiy M.A. i dr.. Fiziko-himicheskie osnovy formirovaniya struktury cementnogo kamnya. – L'vov: Vischa shkola. – 1981. 156 s. Кузнецов В.А., Лобачев А.Н., Бакшутов В.С. Гидросиликаты кальция. Синтез монокристаллов и кристаллохимия. – М.: Наука. 1979. – 184 с. Kuznecov V.A., Lobachev A.N., Bakshutov V.S. Gidrosilikaty kal'ciya. Sintez monokristallov i kristallohimiya. – M.: Nauka. 1979. – 184 s.