Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6116Повний запис метаданих
| Поле DC | Значення | Мова |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | Грецький, Денис Володимирович | - |
| dc.contributor.author | Марченко, Микола Юрійович | - |
| dc.date.accessioned | 2025-11-20T07:38:11Z | - |
| dc.date.available | 2025-11-20T07:38:11Z | - |
| dc.date.issued | 2025-01 | - |
| dc.identifier.uri | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6116 | - |
| dc.description.abstract | Актуальність теми. Розвиток технологій будівельного виробництва та промисловості будівельних матеріалів нерозривно пов'язаний з необхідністю розширення можливостей будівельних машин, промислового обладнання, підвищення компетентності робочих кадрів, підвищення якості будівельної продукції, розширення її сировинної бази та областей застосування, розробки та застосування передових виробничих технологій, нових способів виготовлення виробів та зведення конструкцій. Одним із видів адитивних технологій, що впроваджуються в будівельне виробництво, є 3D-друк методом пошарової екструзії розчинних та бетонних сумішей. Дана технологія є різновидом методу зведення будівель нарощуванням і дозволяє створювати (вирощувати) об'єкти шляхом шарового нанесення сировинних сумішей відповідно до заданої тривимірної цифрової моделлю. Є досвід адитивного виробництва малих архітектурних форм, елементів будівель і споруд, пішохідних мостів, малоповерхового будівництва, що є на сьогоднішній день найбільш актуальною сферою застосування адитивних будівельних технологій. Вітчизняна промисловість освоїла серійний випуск будівельних 3D-принтерів, які реалізують метод екструзії матеріалу. Перевагою даних установок є їх відносні простота, надійність, невисока вартість. Серед недоліків слід відзначити особливі вимоги до сировинних сумішей, недотримання яких призводить до зниження якості продукції. Однак практичний досвід, що складається в даний час в галузі адміністративних технологічних процесів у будівництві не носить системного характеру, що стримує їх розвиток. Однією з істотних проблем є відсутність спеціалізованих будівельних матеріалів і бетонів, адаптованих для процесів 3D-друку, що забезпечують високу якість будівельної продукції та її масштабне впровадження. У всьому світі для виробництва бетонів найбільш широко застосовується портландцемент, меншою мірою гіпсове в'яжуче. При цьому слід зазначити, що склади традиційних композиційних матеріалів, що застосовуються для адитивного будівельного виробництва, на основі цементних, гіпсових і змішаних в'яжучих не адаптовані до технологічних процесів 3D-друку, тому що не мають достатньої формостійкості (здатністю бетонної суміші зберігати геометричні розміри формованого елемента в процесі друку, монолітність, однорідність та його становище у просторі під впливом технологічних та експлуатаційних факторів), невисокими або взаємоконкуруючими (антагоністичними) реотехнологічними властивостями і порівняно низькими фізико-технічними характеристиками (щільність, міцність, водостійкість) через відсутність процесу віброущільнення, наявності складності в реалізації традиційного армування, що, в кінцевому рахунку, негативно позначається на довговічності виробів і конструкцій на їх основі. Недосконалість технології адитивного будівельного виробництва виражається також в утворенні холодних швів при пошаровому укладанні бетонних сумішей з тривалими технологічними перервами внаслідок низької адгезії, наприклад, після закінчення робочої зміни або для набору міцності надрукованих шарів, що призводить до зниження якості продукції і викликає необхідність безперервного укладання шарів або їх армування, суттєво обмежуючи можливості будівельного 3D-друку. Метою магістерської роботи є: - дослідження передових технологічних основ управління структурою та властивостями цементних бетонів, що формуються методом адитивного будівельного виробництва (3D-друку); - дослідження обґрунтованих технологічних рішень удосконалення адитивного будівельного виробництва за рахунок можливості здійснення тривалих технологічних перерв та їх регулювання із забезпеченням високої адгезії шарів. Поставлена мета вирішується шляхом вирішення наступних завдань: 1. Вивчити та проаналізувати досвід адитивного виробництва будівельної продукції в країні та за кордоном, встановити найбільш перспективні напрями розвитку. 2. Виконати обґрунтування відомих та розробку уточнених вимог до вибору сировини та добавок для виробництва ефективних бетонів, що формуються методом 3D-друку, а також до параметрів адитивного будівельного виробництва. 3. Обґрунтувати причини теоретичних і технологічних основ адитивного будівельного виробництва бетоном шляхом пошарової екструзії. 4. Обґрунтувати наукові та технологічні основи управління структурою та властивостями дрібнозернистих цементних бетонів, що формуються методом адитивного будівельного виробництва (3D-друк). 5. Обґрунтувати науково обґрунтоване технологічне рішення щодо збільшення тривалості перерв у процесі 3D-друку із забезпеченням високої адгезії друкованих шарів. 6. Обґрунтувати обґрунтоване технологічне рішення щодо вдосконалення адитивного будівельного виробництва регулюванням тривалості перерв у процесі 3D-друку бетонною сумішшю із уповільненою кінетикою набору пластичної міцності. 7. Обґрунтувати технологічні параметри адитивного будівельного виробництва шляхом розробки науково обґрунтованого підходу, що ґрунтується на вивченні напружено-деформованого стану надрукованих шарів, що забезпечує прогнозування процесів розвитку їх деформацій, для отримання конструкцій з геометричними відхиленнями в межах нормативних значень. Об'єктами дослідження були цементні та гіпсоцементно-пуцоланові дрібнозернисті бетонні суміші та бетони у технології 3D-друку; технологічні параметри адитивного будівельного виробництва. Предметами дослідження були вивчення закономірностей формування структури цементних та гіпсоцементно-пуцоланових дрібнозернистих бетонів, що формуються методом 3D-друку, встановлення взаємозв'язку структури з властивостями досліджуваних композицій та технологічними параметрами адитивного будівельного виробництва. | uk_UA |
| dc.language.iso | uk | uk_UA |
| dc.subject | будівельні конструкції | uk_UA |
| dc.subject | 3D друк | uk_UA |
| dc.subject | бетонування бетонних конструкцій | uk_UA |
| dc.subject | технологічні параметри 3D-друку | uk_UA |
| dc.subject | цементні та гіпсоцементні композиції | uk_UA |
| dc.title | Вдосконалення технології адаптивного виробництва 3D друку будівельних конструкцій будівель та споруд методом пошарової екструзії за рахунок модифікації складу бетонних сумішей | uk_UA |
| dc.type | Master Thesis | uk_UA |
| Розташовується у зібраннях: | 192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво) | |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Magisterska robota Marchenko.pdf Restricted Access | 1.97 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Актуальність теми дослідження. Розвиток технологій будівельного виробництва та промисловості будівельних матеріалів нерозривно пов'язаний з необхідністю розширення можливостей будівельних машин, промислового обладнання, підвищення компетентності робочих кадрів, підвищення якості будівельної продукції, розширення її сировинної бази та областей застосування, розробки та застосування передових виробничих технологій, нових способів виготовлення виробів та зведення конструкцій. У будівельній галузі до передових виробничих технологій слід віднести цифрове моделювання та проектування, створення нових матеріалів та адитивних технологій. Одним із видів адитивних технологій, що впроваджуються в будівельне виробництво, є 3D-друк методом пошарової екструзії розчинних та бетонних сумішей. Дана технологія є різновидом методу зведення будівель нарощуванням і дозволяє створювати (вирощувати) об'єкти шляхом шарового нанесення сировинних сумішей відповідно до заданої тривимірної цифрової моделлю. Є досвід адитивного виробництва малих архітектурних форм, елементів будівель і споруд, пішохідних мостів, малоповерхового будівництва, що є на сьогоднішній день найбільш актуальною сферою застосування адитивних будівельних технологій. Вітчизняна промисловість освоїла серійний випуск будівельних 3D-принтерів, які реалізують метод екструзії матеріалу. Перевагою даних установок є їх відносні простота, надійність, невисока вартість. Серед недоліків слід відзначити особливі вимоги до сировинних сумішей, недотримання яких призводить до зниження якості продукції. Однак практичний досвід, що складається в даний час в галузі адміністративних технологічних процесів у будівництві не носить системного характеру, що стримує їх розвиток. Однією з істотних проблем є відсутність спеціалізованих будівельних матеріалів і бетонів, адаптованих для процесів 3D-друку, що забезпечують високу якість будівельної продукції та її масштабне впровадження. У всьому світі для виробництва бетонів найбільш широко застосовується портландцемент, меншою мірою гіпсове в'яжуче. Цементна промисловість є найбільш багатотоннажним і енергоємним виробництвом. У світі виробляється понад 4 млрд тонн цементу на рік. Україна посідає передове місце у світовому випуску цементу. При цьому останні двадцять років українська цементна промисловість характеризувалася високими темпами розвитку, що дозволяє прогнозувати подальше збільшення темпів її зростання. Цим зумовлена актуальність вирішення питань широкомасштабного впровадження портландцементу в технологічні процеси адитивного будівельного виробництва. При цьому слід зазначити, що склади традиційних композиційних матеріалів, що застосовуються для адитивного будівельного виробництва, на основі цементних, гіпсових і змішаних в'яжучих не адаптовані до технологічних процесів 3D-друку, тому що не мають достатньої формостійкості (здатністю бетонної суміші зберігати геометричні розміри формованого елемента в процесі друку, монолітність, однорідність та його становище у просторі під впливом технологічних та експлуатаційних факторів), невисокими або взаємоконкуруючими (антагоністичними) реотехнологічними властивостями і порівняно низькими фізико-технічними характеристиками (щільність, міцність, водостійкість) через відсутність процесу віброущільнення, наявності складності в реалізації традиційного армування, що, в кінцевому рахунку, негативно позначається на довговічності виробів і конструкцій на їх основі. Недосконалість технології адитивного будівельного виробництва виражається також в утворенні холодних швів при пошаровому укладанні бетонних сумішей з тривалими технологічними перервами внаслідок низької адгезії, наприклад, після закінчення робочої зміни або для набору міцності надрукованих шарів, що призводить до зниження якості продукції і викликає необхідність безперервного укладання шарів або їх армування, суттєво обмежуючи можливості будівельного 3D-друку. Мета досліджень: - дослідження передових технологічних основ управління структурою та властивостями цементних бетонів, що формуються методом адитивного будівельного виробництва (3D-друку); - дослідження обґрунтованих технологічних рішень удосконалення адитивного будівельного виробництва за рахунок можливості здійснення тривалих технологічних перерв та їх регулювання із забезпеченням високої адгезії шарів. Для досягнення слід вирішити такі завдання: 1. Вивчити та проаналізувати досвід адитивного виробництва будівельної продукції в країні та за кордоном, встановити найбільш перспективні напрями розвитку. 2. Виконати аналіз відомих та розробку уточнених вимог до вибору сировини та добавок для виробництва ефективних бетонів, що формуються методом 3D-друку, а також до параметрів адитивного будівельного виробництва. 3. Дослідити причини теоретичних і технологічних основ адитивного будівельного виробництва бетоном шляхом пошарової екструзії. Встановити науково обґрунтовані базові вимоги до основних технологічних властивостей бетонів, що формуються методом 3D-друку, та визначити методи керування ними. 4. Розробити наукові та технологічні основи управління структурою та властивостями дрібнозернистих цементних бетонів, що формуються методом адитивного будівельного виробництва (3D-друк). 5. Встановити закономірності структуроутворення та властивостей гіпсоцементно-пуцоланових бетонів, що формуються методом 3D-друку, від рецептурно-технологічних факторів та розробити базові склади дрібнозернистих бетонів, адаптовані для застосування в технології адитивного будівельного виробництва. 6. Розробити науково обґрунтоване технологічне рішення щодо збільшення тривалості перерв у процесі 3D-друку із забезпеченням високої адгезії друкованих шарів. 7. Розробити науково обґрунтоване технологічне рішення щодо вдосконалення адитивного будівельного виробництва регулюванням тривалості перерв у процесі 3D-друку бетонною сумішшю із уповільненою кінетикою набору пластичної міцності. 8. Здійснити лабораторно-технологічну апробацію виробництва будівельної продукції методом адитивного будівельного виробництва, визначити її техніко-економічну ефективність, розробити класифікацію дефектів бетонів та розчинів, що формуються методом 3D-друку та параметри контролю якості. 9. Оптимізувати технологічні параметри адитивного будівельного виробництва шляхом розробки науково обґрунтованого підходу, що ґрунтується на вивченні напружено-деформованого стану надрукованих шарів, що забезпечує прогнозування процесів розвитку їх деформацій, для отримання конструкцій з геометричними відхиленнями в межах нормативних значень. 10. Розробити нормативно-технічну документацію для реалізації теоретичних та експериментальних досліджень. Об'єктами дослідження були цементні та гіпсоцементно-пуцоланові дрібнозернисті бетонні суміші та бетони у технології 3D-друку; технологічні параметри адитивного будівельного виробництва. Предметами дослідження були вивчення закономірностей формування структури цементних та гіпсоцементно-пуцоланових дрібнозернистих бетонів, що формуються методом 3D-друку, встановлення взаємозв'язку структури з властивостями досліджуваних композицій та технологічними параметрами адитивного будівельного виробництва. РОЗДІЛ 1. СТАН У БУДІВНИЦТВІ АДДИТИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ МЕТОДОМ ПОШАРОВОЇ ЕКСТРУЗІЇ 1.1. Розвиток адитивних технологій. Досвід формування будівельних виробів із бетону Аналізуючи традиційні методи формування будівельних виробів з бетону можна сказати, що правильно запроектована і приготовлена бетонна суміш має високі формувальні властивості. З неї можуть бути отримані щільні та однорідні вироби складних форм, проте спосіб та параметри формування повинні задовольняти якісному складу бетонної суміші [1]. Цьому сприяють розвинуті наукові основи управління структурою та властивостями бетонів, що формуються традиційними методами: – вібраційного формування (з об'ємною вібрацією, з поверхневою вібрацією, з глибинною вібрацією, з контактною вібрацією та ін.); – безвібраційного формування (пресування, вакуумування, роликове формування, центрифуговане формування, ливарне формування та ін.); – пластичного формування (штампування у формах, ручне формування, стрічкове формування екструзією та ін.). Для перерахованих методів характерно те, що частинки бетонної суміші в процесі формування та ущільнення знаходяться під впливом силового поля, що складається з сили тяжіння і, як правило, зовнішнього силового впливу (тиск, удари, струшування, коливальні рухи та ін), що надається на ці частки. Разом з тим частинки знаходяться під впливом внутрішніх сил у системі (сили в'язкого або сухого тертя, міжмолекулярного зчеплення, капілярного тиску та ін.), величина яких визначає реотехнологічні властивості бетонної суміші. Оптимальне кількісне співвідношення між силою тяжіння і зовнішнім силовим впливом на частинки, необхідне для забезпечення формування та ущільнення (у традиційних методах) залежить головним чином від реотехнологічних характеристик бетонної суміші, що визначають її здатність проявляти дію сил тяжіння. В даний час однією з перспективних технологій, що активно розвиваються, у тому числі формування будівельних виробів з бетону, є адитивна технологія. У відповідність до ДСТУ-Н 7914:2015 [2] адитивне виробництво або адитивний технологічний процес (additive manufacturing) – це процес виготовлення деталей, який заснований на створенні фізичного об'єкта за електронною геометричною моделлю шляхом додавання матеріалу, як правило, шар за шаром, на відміну від віднімального (субтрактивного) виробництва (механічної обробки) та традиційного формотворчого виробництва (лиття, штампування). Насправді дана технологія часто визначається терміном «3D-друк». Тривимірний друк (ЗD-друк, 3D printing, 3DCP) – це виробництво об'єктів шляхом пошарового нанесення матеріалу друкувальною головкою, соплом або з використанням іншої технології друку [2]. Силове поле, що впливає на частинки бетонної суміші при адитивному виробництві методом 3D-друку, на відміну від класичних методів формування складається в основному з сил тяжіння, що діють на самі частки, що пошарово укладаються один на одного, при цьому зовнішній силовий вплив виражений значно меншою мірою (наприклад, атмосферний тиск, незначні коливальні рухи на частинки суміші в процесі 3D-друку та ін.). У порівнянні з традиційно застосовуваними будівельними процесами методи адитивного виробництва при виробництві бетонних робіт можуть забезпечити ряд переваг, таких як: зниження витрат за рахунок відсутності опалювальних робіт; зниження рівня травматизму та підвищення рівня безпеки за рахунок виключення небезпечних видів робіт (наприклад, робіт на висоті); створення нових робочих місць, що базуються на цифрових технологіях; скорочення термінів будівництва; зведення до мінімуму ймовірності помилок монтажу за рахунок висококіткової екструзії матеріалу; збільшення архітектурної виразності будівель за рахунок створення геометрично складних конструкцій [3]. Авторами в роботах [4, 5] підкреслюється перевага будівельного 3D-друку, пов'язана з можливістю реалізації різних принципів дизайну, показана перспектива розвитку даної технології, у тому числі з точки зору застосування принципів біомікріції та біотека в архітектурі. Появі у будівництві адитивних технологічних процесів передує досвід адитивного виробництва в інших галузях. Витоки сучасних адитивних технологій виростають від двох способів пошарового створення об'єктів [6, 7] : 1 – LOM-технології (Lamination Object Manufacturing) – пошарового ламінування або склеювання тонких листових матеріалів, в основі якого лежить спосіб, розроблений Josef E. Blanther у 1890 р. . (Пат.США №473901) [8] для створення топографічних макетів (тривимірних карток поверхні); 2 – технології фотоскульптури (Photosculpture), запропонованої французом François Willème 1890 р. [9]. Суть цього способу полягає в тому, що навколо об'єкта розміщувалися фотокамери та проводили одночасне фотографування. Після цього зображення проектували на напівпрозорий екран та за допомогою пантографа описувався контур об'єкта. Пантограф пов'язаний з різальним інструментом, який видаляв матеріал зразка для моделювання (глину) відповідно до побудованого контуру. Розвиток цієї галузі далі можна спостерігати в роботах Isao Morioka (1935 р., запропонував поєднання топографії та фотоскульптури – Пат. США 2015457) [10] , Otto Munz (1956 р., спосіб пошарової експозиції фотоемульсії – Пат. США №2777 ], Wyn Kelly Swainson (1977, спосіб отримання тривимірних об'єктів за допомогою затвердіння фоточутливого полімеру в точці перетину двох лазерних променів - Пат. США №4041476) [12], R.F.Housholder (1981 спосіб формування тонкого шару порошкового матеріалу нанесенням його на плоску платформу - Пат. США № 4247508) [13] та ін [7]. 3D-друк у сучасному розумінні веде свою історію з 1948 року, коли американець Чарльз Халл (Charles W. Hull) розробив технологію вирощування фізичних тривимірних об'єктів з фотополімеризується композиції (ФПК). Технологія отримала назву "стереолітографії" (STL). Патент на свій винахід він отримав у 1986 році (Пат. США №4575330) [14], тоді ж заснував компанію «3D System» (перша компанія, що здійснювала комерційну діяльність у галузі пошарового синтезу) і приступив до розробки першого промислового пристрою для тривимірного друку , яка була представлена громадськості в 1987 році. Оскільки термін "3D-принтер" ще не був введений в обіг, апарат Чарльза Хала отримав назву "Установка для стереолітографії". Пристрій вирощував змодельований на комп'ютері тривимірний об'єкт з рідкої ФПК, наносячи її шар за шаром на рухому платформу, що занурюється у ванну з ФПК. Товщина кожного шару становила приблизно 01-02 мм [14]. У 1986 році в результаті спільної роботи доктора Карла Декарда та доктора Джо Бімана в Техаському університеті в Остіні винайдено метод селективного лазерного спікання - SLS (пат. США № 4863538) [16]. Для створення виробу шляхом селективного лазерного спікання на поверхню підкладки наноситься шар порошку, що надходить з ємності подачі та рівномірно розподіляється за допомогою пристрою вирівнювання. Промінь лазера, що направляється рухомими дзеркалами і лінзою, що фокусує, сканує поверхню нанесеного шару порошку по згенерованим 3D-моделям і формує первинний шар об'єкта, що виготовляється, методом спікання. Таким чином, виявляються спеченими області, які відповідають поточному зрізу виробу. Після завершення сканування рухоме дно робочої камери опускається на товщину шару порошку, що наноситься, тим самим переходячи до наступного зрізу виробу. При необхідності на поверхню сканування додається порошок, що компенсує його витрати в процесі роботи. Після досягнення верхньої точки моделі процес зупиняється, платформа з готовим виробом піднімається для очищення невикористаного порошку [17]. У 1988 році Скотт Крамп запатентував технологію 3D-друку за допомогою пошарової заливки розплавленої нитки полімеру (FDM), після чого заснував компанію «Stratasys» із виробництва пристроїв для 3D-друку. У друкувальній головці матеріал (розплав із пластику) попередньо розігрівається до температури плавлення і надходить у робочу камеру. Головка випускає розплавлений матеріал у вигляді нитки, що укладається на робочу платформу, після чого вона опускається нижче за товщину одного шару для повторного відтворення процесу. Перший комерційний пристрій на основі технології FDM з'явився у 1991 році під торговою маркою Stratasys. У тому ж році з'явився перший принтер «3D Dimension» з друкуючою голівкою, що екструдує [15]. За останні 30 років технологія адитивного виробництва зробила значний ривок, що стало можливим завдяки вдосконаленню установок адитивного виробництва, електронної обчислювальної техніки та програмного забезпечення [18]. Наприкінці XX – початку XXI століття одразу кілька незалежних груп вчених із різних країн розпочали дослідження у галузі технології 3D-друку у сфері будівництва. Одне з перших досліджень перспективності впровадження адитивних технологій у будівельне виробництво з використанням цементного в'яжучого було здійснено J. Penga (кафедра машинобудування, аеротехніки та механіки, Політехнічного інституту Ренсселера, р. Трой, США) у 1997 році. У дослідницькій роботі [19] показана можливість зведення огороджувальних конструкцій подібних до цегляної кладки, які неможливо отримати ливарним способом. Процес здійснюється шляхом послідовного нанесення тонкого шару піску з наступним нанесенням шару візерункового цементу обробкою парою для швидкого затвердіння. Автором зазначено, що отримані композити будівельного розчину мають анізотропні властивості і є потенціал цього підходу для виготовлення масивних конструкцій довільної форми. Згідно з ДСТУ-Н 7914:2015 Система технологічної документації. Вказівки щодо оформлення документів на технологічні процеси ремонту, [20] такий тип адитивного технологічного процесу отримав назву «струменеве нанесення сполучного (binder jetting)», в якому порошкові матеріали з'єднуються вибірковим нанесенням рідкого сполучного (рисунок 1.1) [20]. Адитивне виробництво зі струменевим нанесенням сполучного (із застосуванням мінеральних в'яжучих) не набуло до теперішнього часу широкого поширення в будівництві. Даний спосіб застосовується в основному для виготовлення невеликих будівельних деталей або форм поза будівельною площадки. Рис. 1.1 – Схема процесу струминного нанесення сполучного: 1 – система подачі порошку; 2 – порошкоподібний матеріал, розподілений у ванні; 3 – рідка сполучна складова; 4 – пристрій, що дозує, включаючи підключення до системи подачі сполучного складового; 5 - пристрій поширення порошку; 6 – будівельна платформа та підйомник; 7 - одержуваний продукт [20]. Слід зазначити досвід будівництва різних будівель і споруд із застосуванням даного типу адитивного виробництва, наприклад, павільйону складної форми (рис. 1.2) або будівлі розміром 2,4 х 4 метри (рис. 1.3), компанією «D-shape» спільно зі студією « Shiro» у 2008 та 2010 році відповідно. Тривалість зведення кожної будівлі склала 3 тижні [21], що свідчить про потенційну перспективність застосування такого типу адитивного виробництва на будівельному майданчику. Рис. 1.2 – Павільйон складної Рис. 1.3 – Будівля розміром 2,4х4 форми, надрукований компанією метра, зведена компанією «D-shape» «D-shape» 2008 року із спільно зі студією «Shiro» у 2010 застосуванням методу струменевого році із застосуванням методу нанесення сполучного (binder jetting) струминного нанесення зв'язуючого [21] (binder jetting) [21] Варіантом даного типу адитивного технологічного процесу є технологія «Emerging Objects», розроблена в США, в якій запатентована композиція у вигляді порошку на основі цементу селективно отверждается сполучним агентом [22]. (Центр друку для архітектури, досліджень та матеріалів коледжу екологічного дизайну Берклі Каліфорнійського університету) і Siam Cement Group (Тайланд) зведено спорудження експериментального павільйону складної вигнутої хрестоподібної форми, розмірами в плані 3,66х3,66 м, висотою 2,74 м (рис. 1.4), що складається з 8 блоків (рис.1.5). підкреслюється можливість реалізації найскладніших архітектурних форм за допомогою адитивних технологій. одержаного методом адитивного виробництва. Рис. 1.4 - Спорудження Рис. 1.5 – Блок зі спеціальною експериментального павільйону рецептурою цементного композиту, складної зігнутої хрестоподібної надрукований на «порошковому» форми розміром 3,66 х3, 66х2, 74 3D-принтері [22] метра, що складається 840 блоків, надрукованих на 3D-принтері [22] Відомий також досвід зведення невеликого прототипного будинку, збудованого з використанням модульних блоків «Picoroco Blocks™», розмірами 0,3х0,3х0,3 метра, надрукованих на 3D-принтері (рис. 1.6) з використанням методу струменевого нанесення сполучного [23]. Рис. 1.6 – Прототипна будівля, побудована з використанням модульних блоків «Picoroco Blocks™», надрукованих на 3D-принтері з використанням методу струминного нанесення сполучного [23]. Іншим, найпоширенішим на цей час у будівництві типом адитивних технологічних процесів, є «екструзія матеріалу» – процес адитивного виробництва, у якому матеріал вибірково подається через сопло чи жиклер. Схема цього процесу представлена на рисунку 1.7 [20]. Рис. 1.7 – Схема процесу екструзії матеріалу: 1 – структура, що підтримує; 2 – будівельна платформа та підйомник; 3 - сопло, що підігрівається; 4 – постачання сировини; 5 – продукт [20] Процес 3D-друку виробів з сировинних сумішей на основі мінеральних в'яжучих екструзією матеріалу, частіше званий методом пошарової екструзії, включає наступну послідовність технологічних операцій [24]: 1. Створення цифрової моделі об'єкта в графічному редакторі, наприклад , "Компас-3D" (АТ "АСКОН"), AutoCad (Autodesk Inc.) чи аналогічних. 2. Розподіл моделі на горизонтальні шари в програмному комплексі, наприклад, SheetCam (Stable Design) або аналогічних. 3. Переведення тривимірної цифрової моделі в цифрові дані мовою програмування G-code, що дозволяє моделювати, формувати коди та керувати 3D-принтером у програмному комплексі «Mach3» (Artsoft founder Art Fenerty) або аналогічних. 4. Приготування сировинної суміші із заданими властивостями та її подання до будівельного 3D-принтера. 5. Передача розробленого коду на друкуючу голівку-екструдер. 6. Пошарова екструзія сировинної суміші відповідно до заданої тривимірної цифрової моделі. 7. Твердіння матеріалу надрукованого виробу. 8. Вторинна обробка: видалення підтримуючої структури (підкладки) за її наявності, обробка поверхні. У 2012 році були представлені перші споживчі будівельні 3D- принтери, що реалізують метод пошарової екструзії, а вже через два роки було зведено перший зразок одноповерхового житла компанією Shanghai WinSun (Китай) [24]. Так, у 2014 році китайська компанія «Shanghai WinSun» заявила, що із застосуванням 3D-принтера, що працює за технологією екструзії матеріалу, збудувала 10 будівель менш ніж за один день, причому площа та вартість кожного будинку склала близько 195 м2 і 4800 $ відповідно. Друк основних компонентів будівель проводився поза будівельного майданчика, після чого здійснювалися їх транспортування та монтаж. У 2015 році компанія «Winsun» повідомила про будівництво 5- поверхового житлового будинку площею близько 1100 м2, а також заміського будинку з внутрішніми меблями з бетону вартістю близько 160 000 $. Процес 3D-друку стін та інших конструкцій здійснювався поза об'єкта [25]. Китайська компанія Huasang Tengda (м. Пекін) у 2016 році повідомила про зведення двоповерхової вілли площею 400 м2 методом 3D-друку бетоном за 45 днів (рисунок 1.8). При цьому повний цикл друку будівлі здійснено на будівельному майданчику за допомогою 3D-принтера відповідного розміру [26]. Відмінною особливістю даного принтера є використання роздвоєного сопла, що дозволяє зводити армовані огороджувальні конструкції (рисунок 1.9) [3, 26]. Рис. 1.8 – Двоповерхова вілла, Рис. 1.9 – Роздвоєне сопло для 3D- зведена методом 3D-друку друку бетоном, використане компанією «Huasang Tengda» (м. компанією «Huasang Tengda» (м. Пекін, Китай) у 2016 році [27] Пекін, Китай) у 2016 році [3, 27] Відомий досвід університету Федеріко II (м. Неаполь, Італія) з виготовлення модульної залізобетонної балки висотою 4 м, довжиною близько 3 м (рис. 1.10) з використанням 3D-принтера Bigdelta Wasp [28]. Як недолік цього рішення, крім іншого, слід зазначити необхідність зовнішнього армування балки. Рис. 1.10 – Залізобетонна балка, виготовлена із застосуванням 3D-принтера «Bigdelta Wasp» в університеті Федеріко II (м. Неаполь, Італія) [3, 28] Співпраця між студією «Supermachine» та «Siam Cement Group» призвела до будівництва у Таїланді споруди у вигляді печери заввишки 3м (рис. 1.11) із застосуванням технології 3D-друку. Для створення елементів спорудження використовувався 3D-принтер «Bigdelta Wasp», після чого готові вироби монтувалися на будівельному майданчику [30]. Рис 1.11 – Спорудження з бетону у вигляді печери заввишки 3м, надруковане на 3D-принтері [3, 29] У 2016 році стало відомо про вітчизняний досвід зведення будівлі із застосуванням адитивних технологій. Так, у грудні 2016 року компанія «Apis Core» повідомила про будівництво першого в Росії будинку, надрукованого на 3D-принтері, всього за 24 години (рисунок 1.12) [3, 30]. Рис. 1.12 - Перший в Україні будинок, надрукований на 3D-принтері компанією "Apis Core" [3, 30]. У жовтні 2017 року університетом Ейндховена спільно з компаніями «BAM Infra» та «Witteveen + Bos Consulting Engineers» (Нідерланди) був побудований і введений в експлуатацію пішохідний (велосипедний) міст прольотом 6,5 метрів у селі Гемерт у Нідерландах. перетинає невеликий місцевий канал, з використанням елементів прогонового будови, надруковані на 3D-принтері (рис. 1.13) [31]. Будівництву мосту передували етапи дослідження матеріалів, чисельного моделювання, розрахунків, проектування та натурного випробування конструкцій. Рис. 1.13 – Пішохідний міст прольотом 6,5 метрів у селі Гемерт у Нідерландах з використанням елементів прогонової будови, надрукованих на 3D-принтері [31]. Однією з компаній, діяльність якої спрямована на розробку спеціалізованих бетонних сумішей для 3D-друку , а також на оптимізацію технології адитивного виробництва, є компанія 3D4Art, м. Київ. Силами цієї організації реалізовано будівництво низки об'єктів із застосуванням методу пошарової екструзії. Одним із таких об'єктів є 3D капсула відпочинку для приватної компанії (рис. 1.14). Рис. 1.14 – 3D капсула відпочинку для приватної компанії, м. Київ Дана капсула є першим у світі будинком, зведеним за полярним колом методом 3D-друку бетоном на відкритому повітрі при температурі від 0°C. Унікальність даного об'єкта полягає в прокладці інженерних комунікацій усередині стін, практичної реалізації конструктивного друкарського вузла, а саме балки панорамного вікна завдовжки 7 метрів, а також друку бетоном елементів архітектурної виразності (орнамент, панно, логотипи). Крім того, частина меблів 3D-капсули також виконана методом пошарової екструзії (3D-друку). Слід зазначити, що реалізація вищевказаних будівельних об'єктів здійснювалася переважно із застосуванням бетонів на основі в'яжучого цементного. При цьому питання розробки та практичного застосування складів для 3D-друку на основі гіпсового в'яжучого залишається маловивченим. Враховуючи наявність розвиненої вітчизняної мінерально- сировинної бази гіпсового в'яжучого, значна кількість розвіданих запасів, відносно невисоку вартість та екологічність його виробництва [24], можна зробити висновок, що вирішення цього питання є дуже актуальним завданням. Виконаний аналіз літературних джерел свідчить про активний розвиток в даний час адитивних технологій, у тому числі у сфері будівництва та 3D- друку різних виробів та конструкцій з бетону. Разом з тим слід зазначити, що на основі вивчення вищевказаних робіт [21–23, 28–31], ілюстрацій будівельної продукції, надрукованої на 3D-принтері (рис. 1.8-1.17), відзначаються численні недоліки зовнішнього вигляду і, ймовірно, , експлуатаційних властивостей готових виробів та конструкцій. Крім того склади бетонів, застосованих для зведення вищевказаних будівель і споруд, та їх властивості виробниками не розкриваються, що ускладнює можливість їх застосування для масового будівництва. У роботах не проглядаються науково-обґрунтовані підходи до проектування складів бетонних сумішей, вибору технологічних режимів адитивного виробництва в будівництві, що свідчить про відсутність сформованих до теперішнього часу наукових і технологічних основ управління структурою та властивостями бетонів, формуються методом 3D-друку. У зв'язку з цим однією з найважливіших завдань у розвитку та розширенні галузі застосування технологій адитивного виробництва є виявлення науково-обґрунтованих залежностей і технологічних рішень застосування бетонних сумішей на основі цементного та гіпсового в'яжучих, які забезпечать отримання якісної будівельної продукції. У ряді робіт [32–37] виконано окремі дослідження, спрямовані на розвиток адитивних технологій, пошук шляхів підвищення технологічної та економічної ефективності будівельного 3D-друку, вдосконалення установок адитивного виробництва, розвиток системи контролю якості та забезпечення точності. Так, у роботі [32] авторами пропонується нова конструкція сопла 3D-принтера, вузол якого має регульований діаметр випускного отвору, що дозволяє керувати геометрією екструдата в процесі друку кожного шару на основі розробленого авторами алгоритму нарізки та визначення його геометрії. Порівняльна економічна, екологічна та виробнича оцінка адитивних технологій у будівництві на прикладі виготовлення бетонного сантехнічного блоку методом 3D-друку в порівнянні з технологією збірного залізобетону свідчить про те, що виготовлення даного сантехнічного блоку на 3D-принтері забезпечує зниження загальної вартості виробу на 25,4%, викидів CO2 – на 85,9% та енергоспоживання на 87,1 % проти технологією збірного залізобетону [34]. Дані переваги автори пов'язують насамперед із відсутністю необхідності застосування опалубки в технології будівельного 3D-друку. У роботах [31–34, 36, 37] приділено увагу методам контролю якості та забезпечення точності геометричних розмірів виробів та конструкцій у технології будівельного 3D-друку. Так, у роботі [34] розглянуті переваги та недоліки таких методів, як лазерне 3D-сканування, фотограмметрія, 3D- сканування структурованим світлом. Для оцінки точності 3D-друку та властивостей матеріалів, що застосовуються в даній технології в роботі [39] розглядається можливість використання еталонних форм, в якості яких пропонується три типи фігур: вертикальний порожнистий циліндр зі ставленням діаметра його основи до діаметра сопла рівним 10, низхідний конус і купол -напівсферу діаметром 400 мм. Виконаний авторами розрахунок з урахуванням методу кінцевого елементного аналізу свідчить про відповідність отриманих результатів натурним експериментам. У роботі [37] для забезпечення точності досліджень властивостей будівельної продукції, виготовленої методом адитивного виробництва, авторами наголошується на необхідності проведення великомасштабних випробувань бетонних виробів, обумовлена наявністю масштабних ефектів, що спотворюють результати. У цьому рекомендується діапазон масштабних випробувань об'єктів, що становить від 1:5 до 1:1 [37]. Підвищення якості будівельного адитивного виробництва може бути досягнуто вдосконаленням алгоритмів 3D-друку, зміною геометрії та положення сопла в процесі екструзії. Так, у роботі [38] показано, що забезпечення високого рівня управління процесами 3D-друку, що полягає у створенні алгоритмів, здатних визначати оптимальні режими екструзії, на основі допустимих стратегій друку та моделей структурного аналізу, що описують стан бетонної суміші та бетону, дозволяє підвищити якість будівельної продукції. У роботі [39] описується один із різновидів технології будівельного 3D-друку – технологія об'ємного формування 3D-друком бетоном (Volume-Forming 3D Concrete Printing – VF3DCP), що розвивається дослідниками з Китаю. Відмінною особливістю цієї технології від технології 3D-друку є можливість автоматизованого створення виробів змінного перерізу безпосередньо в процесі виконання робіт. Потенційне застосування ця технологія може знайти під час створення архітектурних орнаментів. Крім того, авторами розроблено прототип комплекту для екструзії методом VF3DCP з модулями керування та зміни параметрів сопла. У деяких роботах для отримання будівельних виробів пропонується комбінування адитивних та традиційних технологій. Так, у роботі [40] на підставі порівняння технології будівельного 3D-друку бетоном та технології створення бетонних виробів з використанням гнучкої форми (Flexible Mould Process), авторами показано можливість їх комбінування при створенні будівельних виробів. Аналіз наведеного вище досвіду формування будівельних виробів з бетону та розвитку будівельних адитивних технологій дозволяє зробити висновок, що при виробництві робіт методом 3D-друку технологічна операція пошарової екструзії суміші за цифровою моделлю є однією з основних, що визначають технологію формування та якість готової продукції. Тому під технологічними основами управління структурою та властивостями бетонів у роботі розуміються також операції пошарової екструзії з відповідними режимами. Вибір режимів пошарової екструзії визначається властивостями формованої розчинної або бетонної суміші, так як внутрішні напруги при формуванні виробів можуть призвести до появи дефектів, параметрами виробів, що виробляються, а також економічністю. При цьому властивості екструдату (розчинної або бетонної суміші) визначають режими його подальшої обробки (твердіння в природних умовах, теплова обробка, гідротермальна обробка, сушіння та ін.) і істотно впливають на фізико-технічні властивості та якість готової будівельної продукції [24]. Найважливішим призначенням процесу формування бетонних виробів є одержання напівфабрикату (свіжонадрукованого виробу або конструкції) заданої форми, розмірів та щільності, без дефектів внутрішньої структури, з однорідною поровою структурою. Наявні недоліки наукових і технологічних основ управління складами, структурою та властивостями бетонних сумішей у технології 3D-друку та в цілому екструзійного формування не дозволяють отримувати будівельні вироби та конструкції заданої форми з відхиленнями, що не перевищують вимог відповідних нормативних документів. Так, згідно [41] у затверділих композитах виникають дефекти та ушкодження вид і характер яких дуже різний. У цьому значний інтерес на наступному етапі вивчення досвіду формування будівельних виробів та конструкцій з бетону представляє аналіз стану наукових та технологічних основ управління їх структурою та властивостями. 1.2. Стан наукових та технологічних основ управління структурою та властивостями бетонів У всьому світі для виробництва бетонів найбільш широко застосовується портландцемент, що меншою мірою гіпсове в'яжуче. Відкриття та розвиток фізико-хімічних методів досліджень ознаменувало початок наукових досліджень у галузі гіпсових в'яжучих, що призвело в період з кінця XIX до середини XX століття, що став періодом «відродження» даного типу в'яжучого, до повномасштабного розширення виробництва та застосування гіпсу та матеріалів на його основі, передовим досягненням у галузі енерго- та ресурсозбереження, екології та підвищення ефективності та продуктивності праці у будівництві та промисловості будівельних матеріалів. Аналогічна тенденція збільшення обсягів виробництва та застосування гіпсових в'яжучих матеріалів та виробів на їх основі спостерігається і в XXI столітті. Світовий видобуток природного гіпсу нині наближається до позначки 150 млн тонн. Крім того, значний сировинний ресурс гіпсового в'яжучого складають побічні продукти та відходи промисловості, наприклад, фосфогіпс, щорічний обсяг яких у світі перевищує 140 млн. тонн. Перший романцемент, назва якого обумовлена схожістю кольору з давніми римськими вапняними сумішами, був отриманий в 1796 англійцем Джеймсом Паркером і широко застосовувався в Європі аж до середини XVIII століття. Вихідна сировина, що застосовується Паркером, мала високий вміст глини в його складі (до 35%) і обпалювалася при температурі недостатньої для спікання матеріалу. Винахід портландцементу пов'язують з іменами Дж. Аспдіна та Є. Челієва. Слід зазначити, що отримане Аспдіном в'яжуче не було портландцементом у сучасному значенні цього слова (не доводилося до спікання), а був різновидом романцементу, отриманого при температурі випалу до 1000°С, проте саме він почав застосовувати назву «портландцемент». У 1822 р. Челієв у своїй праці «Трактат про мистецтво готувати хороші будівельні розчини» описав результати виконаних ним експериментальних досліджень та способів отримання портландцементу, що застосовується до сьогодні. В даний час цементна промисловість є найбільш багатотоннажним та енергоємним виробництвом. При цьому в останні двадцять років українська цементна промисловість перебувала в числі найшвидших світових індустрій, що дозволяє прогнозувати подальше збільшення темпів її зростання в найближчі роки. Цим зумовлена актуальність вирішення питань широкомасштабного впровадження портландцементу у технологічні процеси адитивного будівельного виробництва. Широкий спектр робіт у рамках вивчення проблем та шляхів удосконалення теорії та практики будівельного матеріалознавства, а також виконання досліджень, спрямованих на розвиток наукових, експериментальних та технологічних передумов управління структурою та властивостями будівельних композиційних матеріалів [42]. Роботи Баженова Ю.М. [42] присвячені створенню ефективних високоякісних бетонів різного призначення, в'язких, у тому числі карбонатних цементів, низької водопотреби для виробництва високоміцних бетонів та сучасних будівельних матеріалів. У роботах показано залежності міцності бетону від його складу, від водоцементного відношення, активності цементу, а також розглянуто особливості формування властивостей дрібнозернистих бетонів та питання проектування їх складів. Коров'яковим В.Ф. [43] вивчено питання підвищення ефективності гіпсових в'яжучих та бетонів на їх основі. Встановлено багатофакторні залежності водопотреби в'яжучих, термінів схоплювання бетонних сумішей, фізико-технічних властивостей бетонів від їх складу, виду модифікатора, а також умов твердіння. Крім того виявлено залежності фізико-механічних властивостей бетонів на основі гіпсового в'яжучого від їх складу, характеристик в'яжучого та заповнювачів. У роботах [43, 44] вивчено особливості прогнозування властивостей та стійкості складних композиційних будівельних матеріалів при впливі різних експлуатаційних факторів, а також нерозривно пов'язані з ними елементи теорії довговічності цих матеріалів. Дем'янова В.С. [44] виконано експериментально-теоретичне обґрунтування, розроблено наукові засади та комплекс методологічних та технологічних аспектів спрямованого формування та прогнозування високої ранньої та нормативної міцності швидкотвердіючих високоміцних бетонів на рядових цементах ПЦ400- ПЦ500 з ефективними органомінеральними модифікаторами. Розроблено систему критеріїв для комплексної оцінки впливу виду модифікуючих добавок, цементу та температурних умов твердіння на формування високої добової міцності цементного каменю, розчину та бетону. У роботі [44] вивчено шляхи вирішення питання коригування кількості води замішування бетонних систем залежно від вологості заповнювачів за допомогою використання залежностей реологічних властивостей сумішей від водоцементного відношення та їх в'язкості. Встановленню наукових та практичних принципів та закономірностей структуроутворення цементних розчинів та бетонів з прискорюючими, протиморозними та комплексними добавками на основі вторинної сировини присвячені роботи [45], у яких розроблено науково-обґрунтовану систему управління процесами структуроутворення та твердіння цементних матеріалів. У роботі [45] розроблено науково-прикладні основи та технологічні рішення управління формуванням структури цементних композитів та модифікованих бетонів з високими властивостями міцності та експлуатаційними. Розробкам наукових основ управління процесами гідратаційного структуроутворення в пластифікованих цементних системах, а також розробці хімічних добавок для бетонів і розчинів, дослідженню закономірностей гідратації та твердіння пластифікованих цементних систем, взаємозв'язку фазового складу продуктів гідратації та структури цементних систем від складу [46,47]. Автором виявлено закономірності впливу молекулярної маси нафталінформальдегідних суперпластифікаторів на властивості цементних систем, що дозволяє прогнозувати особливості перебігу процесів гідратації та формування реологічних та фізико-технічних характеристик сумішей та бетонів. У роботі [48] розроблено теоретичні положення цілеспрямованого структуроутворення та підвищення експлуатаційних властивостей цементних композицій шляхом їх модифікування інтенсивними фізико-хімічними впливами в рідкому середовищі в умовах високоімпульсної гідродинамічної активації, а також залежності фізико-технічних властивостей цементних композицій від виду та ступеня твердіння, виду та змісту модифікаторів. У дослідженні [49] наводяться результати розробки науково- інженерних рішень управління опором руйнування сучасних цементних бетонів підвищеної тріщиностійкості на основі формування (конструювання) оптимальних структур Встановлено антагоністичні закономірності підвищення меж міцності бетону при стиску при одночасному зниженні тріщиностійкості його структури, зумовлене особливостями формування мікроструктури композиту. Виявлено кількісні залежності характеристик деформування та руйнування бетонів від параметрів їх структури дозволяють забезпечувати їх раціональне конструювання та обґрунтовувати вимоги до складів та параметрів технології бетонів з комплексом властивостей і характеристик, що задаються. У дослідженні [49] викладено механічні та технологічні основи оптимізації властивостей цементних бетонів, запропоновано комплексну методологію управління процесами оптимізації міцнісних та деформативних властивостей цементних бетонів з позиції механо-технологічної концепції. Автором встановлено залежності усадки та повзучості, модуля крупності, межі втоми бетону від параметрів технології ущільнення бетонної суміші. У роботі [50] бетонна система розглянута з урахуванням уявлень про донорно-акцепторні властивості поверхні твердих тіл, що використовуються в бетонах як наповнювачі та заповнювачі. Показано їх взаємозв'язок з основними властивостями бетонної суміші та бетонного каменю (рухливістю, гідратаційною активністю, структурою, міцністю, морозостійкістю, тепло- та електропровідністю). В основу науково- обґрунтованого прогнозування та управління властивостями бетонних систем запроваджено параметри поверхні твердих тіл. На підставі запропонованого критерію оцінки властивостей поверхні наповнювачів цементного каменю та заповнювачів бетону розроблено механізми впливу на властивості бетону: міцність, теплопровідність, морозостійкість та електропровідність, що дозволило створити бетони з прогресивними властивостями. Розробці теоретичних принципів та практичних основ матеріалознавства та управління технологічними процесами, що забезпечують спрямоване регулювання структури та фізико-механічних властивостей фібробетонів, присвячені роботи [51], в яких на основі уявлень про структуру фібробетонів та закономірності її формування визначено вимоги до технології виготовлення виробів та доведено можливість їх реалізації в рамках існуючого виробництва за умови оптимізації параметрів технологічного процесу. Крім того встановлено залежності фізико- механічних властивостей бетонів від виду та об'ємного вмісту волокон у його складі [49,50]. Автором [52] розроблено науково-прикладні основи та технологічні рішення для управління за допомогою механохімічної активації формуванням структури гіпсових композитів, які забезпечують отримання підвищених міцнісних та експлуатаційних показників виробів на їх основі. Систематизовано та узагальнено напрями та механізми управління структурою гіпсових композитів для формування покращених реологічних, міцнісних та експлуатаційних властивостей. Встановлено закономірності зміни реологічних властивостей гіпсових систем від зернового складу, форми зерен та особливостей утворення дефектів кристалічної структури напівгідрату кальцію. Діяльність Недосеко І.В. [53] розроблено комплекс технологічних рішень, що забезпечують отримання довговічних та ефективних гіпсових, сульфатно-шлакових та ангідритових в'яжучих та будівельних виробів на основі багатотоннажних відходів та попутних продуктів металургійної та хімічної промисловостей. Отримано наукові основи раціоналізації технології виробництва будівельних виробів методом напівсухого пресування дисперсних систем гіпсу на основі дигідрату сульфату кальцію. Бур'яновим А.Ф. [54] розроблено теоретичні положення модифікування структури та властивостей матеріалів на основі гіпсу та ангідриту, експериментально підтверджено можливість структурування гіпсової в'яжучої матриці шляхом використання ультра- та нанодисперсних добавок, що забезпечують формування високощільної структури гіпсового каменю підвищеної міцності. Встановлено закономірності впливу змісту, методу диспергації та способу введення ультра- та нанодисперсних модифікаторів на розмір та морфологію кристалічних новоутворень, що сприяють формуванню впорядкованої, щільної та однорідної дрібнокристалічної структури гіпсових та ангідритових композицій, що призводить до зниження дефектності структури, що забезпечують підвищення фізико-механічних показників композитів Розроблено технології виробництва ефективних гіпсових матеріалів та виробів нового покоління на основі модифікованих складів. Встановленню загальних закономірностей зміни структури, властивостей та довговічності бетонів на основі змішаних в'яжучих з активними мінеральними добавками на прикладі зол гідровидалення та цеолітвмісних порід присвячена робота Ізотова В.С. зол гідровидалення та висококремнеземистих цеолітвмісних порід з малим вмістом цеолітового мінералу та підвищеним вмістом гіпсу. Сформульовано нові уявлення про природу та механізм пуццоланової активності алюмосилікатів природного та техногенного походження та їх ролі у процесах гідратації в'яжучого та структуроутворення композитів на його основі. Встановлено залежності кубикової та призмової міцності, модуля пружності, середньої щільності, водопоглинання, водонепроникності та морозостійкості бетонів на основі КШЩВ із кремнеземистими та алюмосилікатними добавками від видів шлаку, добавок, заповнювачів та затворників. Чернишовою Н.В. [55] встановлено характер синергетичного впливу кремнеземовмісних компонентів з природної та техногенної сировини з урахуванням їх генезису на процеси структуроутворення системи «гіпс- цемент-мінеральна добавка-СП-вода» при твердінні водостійкого композиційного гіпсового в'яжучого, що полягає у формах щільної та дрібнозернистої структури композиту за рахунок синтезу в матриці двоводного сульфату кальцію низькоосновних гідросилікатів і гідроалюмосилікатів кальцію, що веде до підвищення міцності, водостійкості та довговічності затверділого матеріалу. Наукові основи модифікування бетонів комплексними органомінеральними добавками на основі техногенних пуццоланів і поверхнево-активних речовин наводяться в роботах Шейнфельда А.В. будівництва з параметрами структури цементного каменю, і відповідно, складом та дозуванням комплексних органомінеральних модифікаторів. Роботою [56] встановлений механізм впливу капілярного зчеплення на щільність, зв'язність, реологічні та формувальні властивості порошкоподібних будівельних сумішей з компонентів, що значно відрізняються за дисперсністю, що відкриває можливість управління технологічними властивостями сировинних композицій у виробництві пресованих бетонних, силікатних, керамічних та інших будівельних матеріалів. Виявлено закономірності зміни структури та властивостей трифазних дисперсних систем під дією капілярного зчеплення, на основі яких розроблено наукові та практичні методи управління технологічними властивостями сировинних сумішей. Останнім часом набули розвитку дослідження окремих питань реологічних та технологічних властивостей сумішей, структури та властивостей розчинів та бетонів у контексті їх застосування у технології 3D- друку. Так у ряді робіт вказується ефективність застосування у сировинних сумішах для 3D-друку мінеральних добавок різного походження (метакаолін, добавки на основі глин, біокремнезем та ін.) для регулювання їх реотехнологічних та фізико-технічних характеристик [57–61]. У роботах [57–61] показано, що використання розчину суперадсорбуючого полімеру на основі поліакрилату натрію в кількості 0,5- 1,5% від маси ПЦ забезпечує перебіг процесів гідратації в умовах із відносною вологістю менше 70 % із збереженням необхідної рухливості сумішей та міцності цементного каменю що призводить до комплексу структурних змін, пов'язаних з формуванням більшої кількості продуктів. гідратації (до 13%), зниженням значень лінійної усадки (до 57%). Авторами відзначається ефективність застосування даного технологічного рішення у технології будівельного 3D-друку. У роботі [57] розроблені сировинні суміші для 3D-друку на основі цементно-вапняного в'яжучого з додаванням різної кількості обпаленої глини (метакаоліну). Визначено пенетрометричну міцність досліджуваних складів, особливості їх структуроутворення, межі міцності при стисканні на 1, 7 та 28 добу, а також вивчено характеристики екструдованості сировинних сумішей. Робота [59] присвячена дослідженню особливостей впливу реологічних та технологічних властивостей розчинних та бетонних сумішей, що формуються методом пошарової екструзії (3D-друку), на формостійкість та фізико-механічні властивості затверділих композитів. Встановлено залежності впливу широкого спектру мінеральних, пластифікуючих та гідрофобізуючих добавок на реологічні властивості бетонних сумішей та фізико-механічні характеристики дрібнозернистого бетону. Робота [60] досліджуються питання отримання базальтофібробетону на основі композиційного в'яжучого для 3D-друку, що дозволяють скоротити витрату портландцементу, підвищити формостійкість надрукованих шарів та зміцнити структуру композиту. Встановлено закономірності впливу рецептурних факторів на фізико-механічні характеристики базальтофібробетону, одержаного методом 3D-друку. Робота [61] розроблено рецептури модифікованих цементних сумішей, що формуються методом пошарової екструзії (3D-друку), що володіють відносно високими показниками технологічних та експлуатаційних властивостей. Виявлено закономірності впливу багатокомпонентної поліфункціональної добавки складу «наночастки SiO2-суперпластифікатор – поліпропіленове волокно» на реологічні та фізико-технічні властивості цементних систем для будівельного 3D-друку. У роботах [62, 63] авторами розроблена сировинна суміш для 3D-друку із співвідношенням в'яжуче: пісок = 1:1,5, в'яжуче крім цементу містить золу- унос (20%) і мікрокремнезем (10%). При цьому сировинна суміш має нормальну густоту 26%, що досягається застосуванням комплексу хімічних добавок, і виготовляється з додаванням поліпропіленових волокон довжиною 12 мм, що на наш погляд може негативно впливати на її перекачування та екструдованість. Авторами також розглянуто проблему оптимізації G-коду за критерієм скорочення часу «недрукованого» переміщення сопла. Встановлено, що оптимізація такого характеру дозволяє скоротити час друку конструкцій та виробів на величину до 30%. Вивчення сучасних наукових і технологічних основ управління структурою та властивостями бетонів, що формуються різними методами, дозволило узагальнити накопичений досвід і, не знижуючи значущості перерахованих вище робіт, зробити висновок про відсутність таких для бетонів, що формуються методом адитивного виробництва (3D-друк). Дуже актуальним є розвиток наукових та експериментальних основ розробки та виробництва цементних та гіпсоцементно-пуцоланових бетонів для адитивного виробництва у будівництві методом 3D-друку з метою підвищення якості та обсягів виробленої продукції, раціонального використання місцевої природної мінеральної сировини. У цьому наступному етапі роботи розглянуто вплив компонентів бетонних сумішей на технологічні і фізико-механічні властивості бетонів, формованих методом адитивного виробництва (3D-печати). 1.3. Вплив в'яжучих, заповнювачів, хімічних і мінеральних добавок, способів армування, технологічних факторів на властивості бетонів, що формуються методом адитивного виробництва (3D-друку). Її основою можуть бути такі матеріали як портландцемент, гіпс, змішані в'яжучі, модифіковані активними мінеральними і хімічними добавками, цементно-волокнисті (фібро-цементні), гіпсоволокнисті, гіпсоцементно-волокнисті в'яжучі та ін. Для можливості бездефектного пошарового укладання «чорнила», сировинна суміш повинна мати відносно високі темпи набору міцності при повільній кінетиці початкового структуроутворення. Крім того, сировинна суміш повинна володіти тиксотропними і адгезійними властивостями, бути зручно-укладається, не розтікатися і не деформуватися при укладанні наступних свіжоформованих шарів і мати невисокі деформації усадки при твердінні. У роботі [64] зазначається, що будівельна суміш, використовувана для 3D-друку повинна мати наступні характеристики: екструдованість (здатність до плавного видавлювання з сопла), здатність шару будівельної суміші витримувати вагу вищележачих шарів без руйнування. Відомо застосування пескобетону марки М300 як «чорнила» при виготовленні малих архітектурних форм методом пошарової екструзії. При цьому ця суміш не адаптована для процесів пошарової екструзії, що суттєво ускладнює отримання якісної будівельної продукції методом 3D-друку. Слід зазначити численні дослідження, спрямовані на розробку складів будівельних «чорнил» для 3D-принтерів, що забезпечують високі технологічні та експлуатаційні властивості готової продукції, а також роботи, спрямовані на розробку способів підвищення ефективності надрукованих виробів. Так, авторами в роботі [65] пропонується застосовувати склад сировинної суміші для 3D-друку на основі портландцементу, сульфоалюмінатного цементу, дрібно-дисперсного кварцового піску з розміром частинок 100-300 мкм, золи, суперпластифікатора на основі ефірів полікарбоксилату, аттапульгітовий наноглини, поліетиленових волокон та води. За даними авторів вироби на основі пропонованого складу мають міцність при стисканні 47,5-51,1 МПа, при згині - 13,2-19,4 МПа, при розтягуванні - 5,35-5,68 МПа і відносним подовженням при розриві - 3,57- 11,43% в залежності від вмісту волокон. У роботі [66] як компонент цементних систем для будівельного 3D- друку розглянуто застосування стирол-бутадієнового каучукового латексу в кількості 5-20% від маси в'яжучого. Згідно з результатами досліджень, міцність при стисканні цементних композитів склала 38,7-43,6 МПа та 50,4- 63,2 МПа, міцність при згині - 11,9-14,8 МПа та 12,7-17,8 МПа при формуванні методами будівельного 3D-друку та ливарним способом відповідно. Крім того, авторами оцінена швидкість набору міцності при стисканні зразків у першу добу твердіння в порівнянні з міцністю при стисканні на 28 діб, яка була прийнята як зразок (100%). Так, швидкість набору міцності при стисканні в першу добу варіювалася в інтервалі 27-40% і 24-34%, при вигині - в інтервалі 30-59% і 48-55% при формуванні суміші методами будівельного 3D-друку та лицьовим способом відповідно. Розробці складу бетонної суміші для 3D-друку на основі портландцементу, аморфного колоїдного діоксиду кремнію, щебеню з розмірами фракцій 1,2-7 мм, пластифікуючої добавки на основі ефірів полікарбоксилату і модифікатора в'язкості присвячена робота [67]. Надруковані вироби мають міцність при стисканні до 48,9 МПа, при згині - до 7,5 МПа. У надрукованих виробах виявлено анізотропію механічних властивостей, причиною якої є пустоти навколо заповнювача і слабка зона на межі розділу фаз, розташована між заповнювачем та матрицею, що корелюється з результатами [68]. У роботі [69] розроблено склад бетону для 3D-друку високоміцних стінових панелей з підвищеними тепло-і звукоізоляційними характеристиками в порівнянні з традиційними бетонними стіновими панелями. Міцність бетону таких панелей на стиск на 28 добу твердіння становить більше 50 МПа. Ряд робіт спрямований на застосування альтернативних видів цементів у технології 3D-друку. Так у роботі [70] вивчено методи підвищення міцності геополімерів на основі золи-винесення в технології будівельного 3D-друку. Авторами встановлено, що зразки геополімеру, надруковані на 3D-принтері і отверждені в змішаному розчині силікату натрію марки N і гідроксиду натрію (8,0 М) при 60°C, на 7 добу досягають міцності на стиснення 30 МПа. У роботі [71] показано застосування в адитивної технології виробництва геополімерів на основі шлаку, лужного активатора на силікатній основі та дрібнодисперсного кварцового піску, отриманих методом селективного затвердіння геоплімерного порошку. У роботі [72] вивчені реологічні властивості бетонної суміші на основі геополімерного сполучного із золи- винесення, доменного шлаку, мікрокремнезема, К-силікату, кварцового піску, хімічних добавок і води. Показано, що життєздатність даної суміші при друку смуги довжиною 350 мм становить 20 хв, після чого спостерігається різке збільшення значень граничної напруги зсуву та в'язкості суміші, що ускладнюють її подальшу екструзію (рис. 1.18). Рис. 1.18 – Вплив термінів схоплювання суміші на основі геополімерного зв'язуючого на граничну напругу зсуву (а), в'язкість суміші (b) [72] У роботі [71] наведено результати досліджень з розробки матеріалу на основі геополімеру для застосування на «порошкових» 3D-принтерах, що реалізують метод струминного нанесення сполучного [20]. Гранули безводного метасилі-кату натрію подрібнюють протягом 5 хвилин у планетарному кульовому млині. Потім даний безводний метасилікат натрію, шлак і дрібний пісок змішують у сухому вигляді змішувачі до отримання гомогенної суміші. При виконанні досліджень авторами варіювалися наступні параметри порошку: гранулометричний склад, якість поверхні та пористість порошкового шару, справжня та об'ємна щільності порошку та поведінка крапель сполучної речовини. Встановлено, що пропонований матеріал володіє набором характеристик, достатнім для використання в порошковому 3D-принтері. Оцінювалися точність геометричних розмірів, пористість та механічні властивості зразків, надрукованих на 3D-принтері з геополімеру, при цьому всі зразки показали анізотропію точності геометричних розмірів та механічних властивостей. Надрукована кубічна структура набула міцності на стиск до 0,9 МПа з прийнятним розширенням < 4%. Наступна обробка зануренням розчин безводного метасиликата натрію при 60°C дозволила отримати міцність на стиск до 16,5 МПа. Адгезія шарів у технології будівельного 3D-друку є однією з актуальних проблем, вирішенню якої присвячено ряд робіт [73-76]. Деякі питання адгезії шарів бетонних виробів, надрукованих на 3D-принтері, розглянуті в роботі [76], в якій наводяться результати досліджень впливу параметрів будівельного 3D-друку (час технологічної перерви при друку шарів, висота сопла, дегідратація поверхні шарів) на межі міцності при стисканні та розтягуванні бетонних зразків. Так, при збільшенні часу технологічної перерви міцність зчеплення між шарами знижується. Встановлено, що очевидніше зниження міцності зчеплення шарів притаманно зразків, відкриті поверхні яких були захищені. Показано, що висота сопла 3D-принтера не впливає на міцність зчеплення шарів. В роботі [75] для покращення адгезійної взаємодії шарів при друку з технологічною перервою до 60 хв пропонується склад бетонної суміші на основі сульфоалю- мінатного цементу з високим вмістом беліту, портландцементу, кварцового піску, кварцового та вапнякового борошна, води, суперпластифікатора та целюлозних волокон. Початок і кінець схоплювання бетонної суміші склали 90 та 120 хв відповідно. Пропонований склад при різних концентраціях компонентів друкували з технологічними перервами 60, 90 та 120 хв. При цьому міцність зчеплення шарів при друку суміші з інтервалом 90 і 120 хв склала 96% і 94% відповідно в порівнянні з міцністю зчеплення шарів контрольного зразка. За даними наведених у роботі [77] силу зчеплення шарів робочих швів, що друкуються з технологічною перервою, можна поліпшити, за допомогою сполучного складу (наприклад, «LATICRETE® 254 Platinum»), що наноситься на поверхню нижчого шару перед технологічною перервою. Авторами розроблено два склади важких та легких розчинів, адаптованих для будівельного 3D-друку «LATICRETE® 3D Printing Mortar NW» та «LATICRETE® 3D Printing Mortar LW». Наведено результати визначення рухливості, в'язкості, термінів схоплювання та середньої щільності сумішей. Для композитів на основі даних складів отримані дані по міцності при згинанні та стисканні, а також морозостійкості. Дослідження впливу часу технологічної перерви на міцність зчеплення шарів [72] показали, що міцність зчеплення бетону на основі геополімерного сполучного, надрукованого на 3D-принтері, знижується зі збільшенням часу технологічної перерви (рис. 1.19). Рис. 1.19 – Вплив часу технологічної перерви під час друку суміші однієї партії (а), різних партій (b) на міцність зчеплення шарів [72] Крім того, авторами в роботі [72] наводяться результати досліджень впливу положення сопла над поверхнею друку (величина зазору) на міцність зчеплення шарів (рисунок 1.20) Встановлено, що зі зменшенням відстані між соплом 3D-принтера та поверхнею друку міцність зчеплення шарів збільшується, при цьому спостерігається значна різниця значень при відстані, що дорівнює 2 і 4 мм. На думку авторів дані зміни викликані осіданням/деформацією нижнього шару в процесі друку на нього наступного шару, в результаті чого вихідна відстань збільшується, що в ряді випадків призводило до порушення геометрії виробу. Рис. 1.20. – Вплив величини зазору між соплом 3D-принтера і поверхнею друку на міцність зчеплення шарів [72] Ефективність застосування НВЧ-нагріву для підвищення величини адгезії друкованих шарів з геополімерів на основі в'яжучих речовин з гранульованого доменного шлаку і золи- роботі [78]. Встановлено, що НВЧ- нагрів протягом 5 та 10 секунд збільшує міцність зчеплення шарів через 7 діб твердіння на 48% та 132% відповідно, через 28 діб твердіння – на 22% та 88% відповідно. НВЧ-нагрів більше 10 секунд призводить до зниження міцності на 43% і 30% через 7 і 28 діб твердіння відповідно. Можливості підвищення ефективності бетонів для адитивного виробництва (3D-друку) шляхом проектування складів матеріалів, регулювання процесу друку, застосування різних методів армування розглядаються в роботі [79]. Відзначено роль модифікування суміші, контролю реологічних властивостей, форми сопла, адгезії шарів між собою у формуванні структури затверділого композиту. У роботі [73] вивчено вплив поверхневої вологості та тривалості технологічної перерви (10-30 хв) на адгезію шарів бетону, надрукованого на 3D-принтері. Показано, що вологість поверхні шару є важливим фактором у формуванні міцності адгезійної шарів [80]. У статті [74] показано вплив параметрів друку на міцність зчеплення шарів цементних композитів на основі вапняку та обпаленої глини, надрукованих на 3D-принтері. Методом рентгенівської комп'ютерної томографії (РКТ) вивчена по-рова структура затверділого композиту, надрукованого на 3D-принтері. Визначено, що зона максимальної пористості відповідає межі надрукованих шарів (рис. 1.21) [74]. Рис. 1.21. Загальна пористість цементного композиту в міжшаровій зоні (10,5-13,5 мм за висотою зразка) [74] При цьому найбільша міцність адгезійна шарів характерна для зразків, шари яких надруковані з інтервалом в 20 секунд, що пояснюється найнижчою локальною пористістю на межі поділу. Зі збільшенням часового інтервалу від 1 хв до 10 хв міцність зчеплення шарів надрукованих зразків знизилася не більше ніж на 13% порівняно із зразками, сформованими литєвим способом. Зниження адгезійної міцності зі збільшенням тимчасового інтервалу, на думку авторів [74], відбувається за рахунок збільшення локальної пористості, що пояснюється збільшенням числа великих макропор (ширина пір більше 2 мм) в міжшаровій зоні. У роботі [81] вивчені особливості формування та характеристики повітряних порожнин у цементних композитах, надрукованих на 3D- принтері, за допомогою мікроскопічного аналізу та рентгенівської комп'ютерної томографії. За результатами досліджень авторами встановлено, що більшість повітряних пір розміром 10-1000 мкм рівномірно розподілена в обсязі надрукованих шарів. При цьому повітряні пори розміром 1000-6000 мкм були розташовані переважно в зоні контактів суміжних шарів, що обумовлює високу локальну пористість досліджуваних композитів. Крім того, велика їх частина має неправильну і витягнуту форму внаслідок особливостей технології 3D-друку, що призводить до анізотропії механічних властивостей виробів та конструкцій. Збільшенню часу перерви 3D-друку (30-120 хв) присвячена робота [75], в якій запропоновано склад розчину для застосування в технології аддитивного виробництва на основі сульфоалюмінатного цементу, целюлозного во-локна та вапнякового наповнювача, який дозволяє підвищити адгезійну міцність шарів на розтяг більш ніж на 1,91 МПа при їх друку з інтервалом 60 хв. У роботі [72] досліджено вплив добавок золи-винесення та наноглини на реотехнологічні характеристики сировинних сумішей для 3D-друку, а також особливості формування адгезійної міцності шарів. Виявлено, що суміші з високим вмістом золи-виносу, модифіковані наноглиною в кількості 0,5% від маси в'яжучого, мають значно більш високу формуваність і формостійкість порівняно з контрольним складом. На думку авторів це явище обумовлено тиксотропними властивостями глинистих частинок. Крім того в роботі встановлено, що основною причиною низької адгезійної міцності є формування макропор на межі розділу друкованих шарів. У роботі [82] наводиться дослідження гіпотези про переважання ефекту механічного закріплення над ефектом хімічної гідратації у формуванні адгезійної міцності. Показано, що найбільшою міцністю зчеплення характеризуються композиції, змішані з добавками, що підтримують характеристики плинності протягом певного проміжку часу. При цьому збільшення площі контакту на обох шарах є визначальним фактором підвищення міцності зчеплення. У роботі [83] зазначається, що при виході суміші з екструдера вміст вологи на поверхні надрукованих шарів максимально, так як при перекачуванні та екструзії суміші відбувається її зсув, що призводить до утворення так званого «мастильного шару», представленого переважно цементним тестом. Ряд робіт спрямований на вирішення проблеми відсутності ефективних і доступних методів армування виробів і конструкцій у технології 3D-друку. Так, у роботі [84] представлений новий спосіб армування, званий методом проникаючого армуючого шару. Так межі міцності при згинанні надрукованих виробів, армованих деформованими або спіральними стрижнями, збільшуються на 184% і 142% відповідно. У роботі [85] вивчений спосіб армування, заснований на загвинчуванні армуючих елементів в надруковані шари бетону. руху, що на думку авторів забезпечує високий рівень зчеплення арматури з бетоном. При цьому для виключення руйнування структури бетону необхідно забезпечити ретельний контроль здійснення поступально-обертальних рухів при встановленні армуючих елементів, так як свіжо-друковані шари в ранньому віці не забезпечують необхідного опору випробовування на вигин зразків, виготовлених методом 3D-друку з армуванням за пропонованим способом і литьовим методом, показали високу ефективність даного рішення. У роботі [85] представлений спосіб армування сітками одночасно з процесом 3D-друку бетонних шарів. 1.22) [85]. Рис. 1.22 – Армування шарів сталевими сітками їх установкою одночасно процесом 3D-друку [85] Дисперсне армування сировинних сумішей для 3D-друку дозволяє підвищити фізико-механічні характеристики затверділих композитів, знизити величину усадкових деформацій, . Так у роботі [86] розглядається спосіб армування виробів, що формуються методом 3D-друку, лугостійким скловолокном, що укладається між надрукованими шарами бетону. Авторами в роботі [87] вивчено армування бетонних виробів прямими сталевими волокнами, розташованими перпендикулярно площині зчеплення двох шарів, завдяки чому суттєво зростає стійкість виробів та конструкцій, сформованих методом пошарової екструзії, до крихкого руйнування. У дослідженнях [88] розглянуто вплив поліпропіленових волокон у кількості 0,5-3% від маси в'яжучого у складі сировинних сумішей на основі порт-ландцементу, дрібного піску, подрібненого вапняку, гранульованого доменного шлаку, мікрокремнезему, пластифікуючої добавки і модифікатора. реотехнологічні характеристики композитів, надрукованих на 3D-принтер. Так, суміші з вмістом поліпропіленових волокон у кількості 1-1,5% від маси в'яжучого володіють кращою екструдованістю порівняно зі складами з їх вмістом у кількості 2-3%, які характеризуються дефектами в надрукованих зразках у вигляді несплошностей і розривів. Потенційна ефективність застосування целюлозних волокон у технології будівельної 3D-друку показана в роботі [89]. У дослідженнях [90] авторами вивчено вплив армування сталевими мікроканатами Ø1,2 мм матриці з геополімерного в'яжучого з життєздатністю до 35 хвилин на основі піску, подрібненого гранульованого доменного шлаку, золи-винесення, мікро-кремнезему, води та лужного активатора ( п'ятиводного метасилікату натрію) у технології формування методом 3D-друк. Результати випробувань показали, що введення даних мікроканатів до складу суміші призводить до підвищення міцності показників досліджуваних композитів на 132%, а також до зміни характеру руйнування з крихкого на в'язкий. У роботі [91] показано, що будівельна 3D-друк значно знижує негативний вплив на навколишнє середовище за критеріями викидів тепла, підкислення ґрунтів, евтрофікації, утворення смогу, виснаження викопного палива порівняно з традиційними методами будівництва. Однак проблема відсутності ефективних і доступних методів армування виробів і конструкцій у технології 3D-друку в деякій мірі знижує її екологічну ефективність. Використання композиційних бетонних сумішей, зокрема виготовлених із застосуванням відходів промислових виробництв, у технології 3D-друку зумовлює перспективу подальшого зниження негативного впливу на навколишнє середовище. Так у роботі [92] авторами виконано огляд можливих напрямів зниження рівня викидів CO2 під час виконання бетонних робіт методом будівельного 3D-друку. Одним з таких напрямків є введення мінеральних добавок природного та техногенного походження замість частини портландцементного клінкеру [92]. Так у роботі [93] встановлені залежності фізико-технічних та експлуатаційних характеристик матеріалів і виробів на основі композиційного шлаколужного в'яжучого від виду та вмісту (до 50%) відходів промисловості в його складі, що відображають їх високу ефективність, що дозволяє підвищити конкурентоспроможність даних композитів порівняно з представленими над ринком будівельних матеріалів аналогами. При цьому в роботі [93] зазначається, що загальна кількість доступного шлаку складає всього 5% кількості клінкеру, а золи-винесення, відсутньої в багатьох країнах - близько 30%. У зв'язку з цим актуальним стає завдання пошуку альтернативних видів мінеральних добавок для бетонних сумішей і бетонів. Одним з варіантів може виявитися використання природних пуццоланів, таких як вулканічний попіл, вапнякове борошно, метакаолін та ін. У дослідженнях [94] встановлена ефективність бінарних наповнювачів спільно з суперпластифікаторами при розробці ефективних в'яжучих. У роботі [94] авторами показано, що заміна 45% портландцементу бінарною добавкою, що складається з метакаоліну і вапняку у співвідношенні 2:1, призводить до підвищення меж міцності зразків через 7 і 28 діб твердіння порівняно з бездодатковими складами . Дані мінеральні добавки можуть знайти застосування і технології будівельної 3D-друку. Так у роботі [95] досліджено вплив заміщення частини портландцементу вапняком на властивості розчинної суміші та затверділого композиту на його основі, сформованого методом 3D-друку. Формостійкість розчинної суміші вивчалася авторами методом визначення її плинності при стисканні. Також досліджувалися усадка і механічні властивості затверділих композитів. Показано, що заміщення значної частини портландцементу вапняком (до 50%) надає негативний вплив як на властивості розчинної суміші, так і на характеристики затверділих композитів, надрукованих на 3D- принтері. Однак при меншому відсотку заміщення портландцементу (до 25%) не спостерігалося істотного зниження досліджуваних показників. У роботі [96] досліджено заміщення 25% піску, що застосовується як заповнювач будівельного розчину для 3D-друку, переробленим піском. Показано, що застосування такого піску дозволяє підвищити реотехнологічні властивості сирцю при досягненні рівноміцних показників затверділими композитами. До нестачі роботи слід віднести відсутність даних про склади досліджуваних сумішей і застосовуваних матеріалів, у тому числі переробленого піску. Таким чином, при розробці наукових і технологічних основ управління структурою та властивостями бетонних сумішей і бетонів, що формуються методами адитивного виробництва (3D-друку), необхідно враховувати актуальність проблеми зниження негативного впливу даної технології на навколишнє середовище. Одним з нових напрямків у створенні та розвитку бетонів, у тому числі для будівельного 3D-друку, є створення «еластичних» бетонів (Engineered Cementitious Composites), для яких характерне пластичне руйнування в порівнянні з традиційними бетонами, що характеризуються тендітним руйнуванням. Так у дослідженнях [97] вивчено перспективи застосування такого бетону в технології будівельного 3D-друку. Показано, що навіть при відносно великому вмісті волокон (2%) у складі «еластичних» бетонів, вони мають здатність до транспортування, перекачування та екструдованості. При цьому авторами в роботі [97] виявлено ряд проблем таких бетонів, до яких належать особливості їх твердіння та догляду за надрукованими виробами, довговічність при різних впливах навколишнього середовища, характер сприйняття різних типів навантажень (статичні, ударні, знакозмінні і т.п. .д.), що вимагають проведення подальших досліджень у цій галузі. Варто відзначити, що вартість 1 м3 таких бетонів втричі вища в порівнянні з традиційними бетонами. У роботі [98] розроблена технологія екструзії «еластичних» бетонів, яка є інтегрованою системою, що включає роботизовані робочі інструменти, автоматизоване керування, пов'язане з процесами доставки та нанесення, а також багатоосьове керування соплом для підвищення якості поверхні надрукованих виробів та конструкцій. Крім поліпшення якості поверхні, розроблена технологія екструзійного формування «еластичних» бетонів здатна поліпшити їх фізико-механічні характеристики за рахунок збільшення площі міжфазної поверхні та поліпшення орієнтації волокон в обсязі матеріалу. Суміші з обпаленою глиною у віці до початку схоплювання характеризуються стабільністю форми при 3D-друку. При цьому тиск екструзії та швидкість зростання її тиску в часі значно зростають зі збільшенням вмісту метакаоліну в обпаленій глині, що обумовлено збільшенням значень граничної напруги зсуву сумішей. Дане явище може утруднити процес екструзії суміші та зменшити час її життєздатності [99]. Авторами в роботі [100] відзначається суперечливість вимог до рео- технологічних властивостей бетонних сумішей для будівельного 3D-друку, що полягає в необхідності досягнення високих значень граничної напруги зсуву для забезпечення стабільності форм виробу, що друкується при збереженні помірно низької в'язкості суміші для забезпечення можливості її пе -Рекачування та екструдування. З цією метою авторами [100] розроблена комплексна добавка на основі наноглін і модифікаторів в'язкості бетонних сумішей для 3D-друку. У дослідженні [77] показано, що суміші з більш високою плинністю не дозволяють забезпечити необхідні характеристики формуваності при 3D- друку. В'язкі суміші володіють високою швидкістю затвердіння, але не володіють необхідним рівнем екструдованості. Авторами на основі результатів виконаних експериментальних досліджень показана можливість оптимізації реотехнологічних властивостей (плинності та в'язкості) сировинних сумішей для 3D-друку при введенні мікрокремнезему спільно з суперпластифікатором. В роботі [101] вивчено вплив каоліну (21-104% від маси цементу), су- перпластифікатора (4% від маси цементу) та карбонату кальцію (21-42% від маси цементу) як модифікатори цементних систем для 3D-друку методом пошарової екструзії. Авторами досліджено 15 складів сумішей з різним співвідношенням сухих компонентів при постійному витраті пластифікуючої добавки і водоцементному відношенні, що дорівнює 0,53. Отримані сировинні суміші характеризувалися різними реотехнологічними властивостями, що позначалося як 3D-печати (рис. 1.23). Рис. 1.23 – Зразки, виготовлені методом 3D-друку із сумішей різного складу (з різним співвідношенням сухих компонентів) [101] Серед досліджуваних у [101] складів вимогам до сировинних сумішей для 3D-друку методом пошарової екструзії задовольняють 3 складу - F5, F10, F15 (рис. 1.23), що відрізняються зниженим вмістом піску, відсутністю в складі карбонату кальцію і відносно високим вмістом 40%). Дані суміші мають гарну екструдованість через сопло 3D-принтера, високим ступенем геометричної стабільності при друку, проте характеризуються невисокими показниками міцності. Ряд робіт присвячений підвищенню якості адитивного виробництва за рахунок модифікування цементних систем для 3D-друку добавками, що регулюють в'язкість суміші (VMA) [99, 102-104]. У дослідженні [105] вивчений досвід застосування модифікуючої в'язкість порошкоподібної добавки на основі гідроксипропілметилцелюлози, що дозволяє регулювати когезію, а також в'язкість та водоутримуючі властивості суміші. Наведено результати експериментальних досліджень формостійкості суміші (малюнок 1.24), плинності (рис. 1.25), екструдованості (рис. 1.26) сумішей з різним вмістом VMA, визначено коефіцієнти стабільності їх форми (рис. 1.27). Рис. 1.24 – Залежність формостійкості сумішей, надрукованих на 3D- принтері, з різним вмістом VMA [105] Рис. 1.25 – Залежності плинності сумішей для 3D-друку з різним вмістом VMA [105] Рис. 1.26 – Екструдованість сумішей для 3D-друку з різним вмістом VMA, представлена у вигляді залежності тиску від швидкості екструзії Рис.. 1. 27 – Залежності коефіцієнта стабільності форми сумішей для 3D-друку з різним вмістом VMA (удобоукладальності) у часі [105] Показано, що збільшення дозування добавки на основі гідроксипропілме-тилцелюлози з 0,14% до 0,48% від маси в'яжучого збільшити тиск екструзії, формостійкість суміші, міцність сирцю протягом перших 2,5 годин, а також знизити плинність суміші та час її життєздатності. Ряд робіт присвячений дослідженню впливу технологічних параметрів сировинних сумішей та особливостей процесу 3D-друку на властивості одержуваних композитів. Так у роботі [106] вивчено вплив температури бетонної суміші в технології адитивного виробництва на формостійкість сумішей та адгезію друкованих шарів. Показано, що введення попередньо підігрітої води затворіння призводить до збільшення формостійкості суміші, але при цьому спостерігається зниження міцності зчеплення шарів. В роботі [107] показано вплив таких параметрів процесу пошарової екструзії, як швидкість друку і час технологічних перерв, на фізико-механічні характеристики і мікроструктуру бетону і реотехнологічні характеристики бетонної суміші на основі портландцементу ЦЕМ I 52,5 H, кварцового піску, що пластифікує добавки на основі ефірів полікарбоксилату та води. Встановлено, що зміна часу технологічної перерви в інтервалі 0-60 хвилин призводить до зниження меж міцності при стиску на величину до 31%, міцності зчеплення шарів - на величину до 75%. Зниження показників міцності на думку авторів пов'язане зі збільшенням пористості зразків зі збільшенням тривалості технологічних перерв, зниження міцності зчеплення - зі зменшенням вмісту вологи на поверхні шарів, що друкуються. У роботі [108] вивчено особливості поведінки бетону, надрукованого на 3D-принтері, при дії підвищених температур. Встановлено, що при підвищених температурах відбувається розшарування шарів композиту, через що при пожежі може статися крихке руйнування конструкції. Для забезпечення їх пластичного руйнування та підвищення фізико-механічних властивостей авторами запропоновано дисперсне армування надрукованих бетонів сталевими волокнами, розташованими перпендикулярно площині друку. Показано, що дисперсне армування сталевими волокнами покращує вогнестійкість таких бетонів на 33%. У дослідженні [109] встановлено, що межі міцності при згинанні та стиску виробів і конструкцій з бетону, надрукованих на 3D-принтері методом пошарової екструзії, залежать від напрямку 3D-друку. Таким чином, виконаний аналітичний огляд наукових праць, в яких вивчено вплив в'яжучих, заповнювачів, армуючих волокон, хімічних і мінеральних добавок на властивості сумішей і бетонів, що формуються методом пошарової екструзії, свідчить про наявність окремих результатів досліджень щодо вдосконалення сировинних сумішей для 3D-друку, а також про можливо їх раціонального застосування для ефективного регулювання реотехнологічних властивостей сировинних сумішей для 3D-друку та фізико- механічних характеристик затверділих композитів на їх основі. Поглиблення та систематизація експериментальних даних, що розкривають закономірності впливу в'яжучих, заповнювачів, мінеральних і хімічних добавок на структуру та властивості бетонів, що формуються методом адитивного виробництва, сприятиме розвитку даної технології. Визначено низку питань, що представляють в даний час особливу актуальність: вплив на структуру та властивості композитів, надрукованих на 3D-принтері, виду та кількості портландцементу, мінеральних добавок, заповнювача, особливості впливу реотехнологічних властивостей сумішей на формуваність, адгезію шарів, їх фізико-механічні властивості, а також вивчення методів армування у технології адитивного виробництва. На окрему увагу заслуговують дослідження, спрямовані на вивчення впливу технологічних параметрів 3D-друку на особливості формування структури та фізико-механічних властивостей затверділих композитів. У рамках даного питання інтерес представляє аналіз існуючих методів і досвіду оптимізації параметрів 3D-друку, особливе місце серед яких займає моделювання напружено-деформованого стану надрукованих шарів. Так у роботі [110] приділяється особлива увага реологічних характеристик сумішей для 3D-друку та методів проведення випробувань. Виконані експериментальні дослідження, в рамках яких суміш піддавалася ударному навантаженню при її вертикальному падінні з певної висоти для імітації процесу перемішування та осадження суміші при 3D-друку. Встановлено, що відносна деформація суміші при падінні варіюється в діапазоні 34-89% в залежності від її консистенції. Початкові статичні та динамічні межі плинності суміші знаходяться в діапазоні 0,94-6,82 кПа та 0,54-4,73 кПа відповідно. На основі отриманих результатів авторами запропоновані діапазони плинності сумішей для 3D-друку, що забезпечують можливість її пошарової екструзії. 1.4. Аналіз нормативної документації, процесів та способів будівельного 3D-друку, стану ринку адитивного виробництва Розглядаючи технологію будівельного 3D-друку методом пошарової екструзії, як одну з технологій формування бетонів та один із способів будівельного виробництва, слід розглянути нормативні джерела, з метою виявлення існуючих категорій адитивних технологічних процесів та місця досліджуваної технології в них. Аналіз нормативної документації свідчить про початковому етапі становлення та розвитку нормативного регулювання у сфері адитивних технологічних процесів. В даний час затверджено та введено в дію шість національних стандартів, три з яких поширюються безпосередньо на технології адитивного будівельного виробництва з використанням сировинних матеріалів у вигляді сухих сумішей, розчинних сумішей, а також затверділого будівельного розчину [24, 46, 47]. ДСТУ-Н 7914:2015 встановлює терміни та визначення, що використовуються у технологіях адитивного виробництва, які ґрунтуються на адитивному принципі виготовлення деталей, тобто. створення фізичних просторових виробів шляхом послідовного додавання матеріалу. Метою цього стандарту є забезпечення базового розуміння фундаментальних принципів адитивного виробництва та запровадження на їх основі чіткої термінології у галузі даних технологій. Загальні вимоги до матеріалів, що застосовуються у різних категоріях адитивних технологічних процесів, встановлені у ДСТУ-Н 7914:2015 Система технологічної документації. Настанови щодо оформлення документів на технологічні процеси ремонтування. Даний стандарт виділяє наступні категорії процесів: фотополімеризація у ванні, струменеве нанесення матеріалу, струменеве нанесення сполучного, синтез на підкладці, екструзія матеріалу, пряме підведення енергії та матеріалу, листова ламінація. Наводяться опис сутності процесів, сировини, механізму зв'язку компонентів сировинної суміші, джерела її активації і способів вторинної обробки готових виробів. ДСТУ-Н 7914:2015 встановлює основні терміни та визначення для обміну даними в адитивному виробництві, описи геометрії виробу або його частин в адитивному виробництві, а також описує способи обміну даними, типи файлів та форматування. Метод пошарової екструзії є основним способом 3D-друку більшості будівельних принтерів. Суть даного методу полягає в тому, що 3D-принтер має робоче «сопло» або екструдер, що видавлює бетонну суміш, що швидко твердіє, в яку включаються різні добавки, що покращують тим чи іншим способом характеристики майбутньої конструкції [24]. Кожен черговий шар видавлюється 3D-принтером поверх попереднього, завдяки чому формується певна конструкція (рисунок 1.1 [111]). Вперше про подібну технологію у будівництві було згадано у роботах професора Бехроха Хошневіса з Південно-Каліфорнійського Університету у серпні 2012 року. Його ж наукова група висунула ідею конструкції 3D- принтера на кшталт мостового крана, що збирається дома будівництва. Цього ж року було представлено перші споживчі будівельні 3D- принтери, а вже через два роки було зведено перший експонат одноповерхового житла компанією Shanghai WinSun (Китай) [112]. Рис. 1.30 – Виготовлення виробу методом пошарової екструзії на будівельному 3D-принтері [112] Метод пошарової екструзії бетону може здійснюватися різними видами будівельних 3D-принтерів: портальними, з дельта-приводом, що працюють у кутових координатах, на базі промислових стандартів та ін. У загальному випадку система друку за допомогою 3D-принтера включає наступні елементи [113]: – система руху; - система екструзії (друкуюча головка з насадкою); - портативна змішувальна установка; - система накачування (контролюється електронікою); – блок управління (електроніка, позиціонування та система управління); - система безпеки. Процес створення будівельної продукції методом пошарової екструзії включає наступну послідовність технологічних операцій: 1. Створення цифрової тривимірної моделі об'єкта; 2. Розподіл моделі на шари у поперечному перерізі; 3. Переведення моделі в цифрові дані мовою програмування G-code, що дозволяє моделювати, формувати коди та керувати 3D-принтером; 4. Приготування сировинної суміші із заданими властивостями та її подача в знімний накопичувальний бункер будівельного 3D-принтера; 5. Передача розробленого коду на друкуючу голівку-екструдер; 6. Пошарова екструзія сировинної суміші відповідно до заданої цифрової тривимірної моделі; 7. Затвердіння матеріалу до завершення формування об'єкта (виробу); 8. Постобробка: видалення підтримуючої структури (за потреби). Аналіз літературних даних [113] свідчить про щорічне зростання ринку адитивного виробництва. На 2018 рік його обсяг перевищив 5 мільярдів. доларів США, прогнозований обсяг на 2025 рік становить понад 21 млрд. доларів США (рис. 1.31). Слід зазначити, що понад 50% світового ринку адитивних технологій контролюють такі країни, як США, Німеччина, Великобританія, Японія та ін., що у довгостроковій перспективі визначає їх як лідерів розвитку даної технології. Розглядаючи виробників обладнання для адитивного виробництва, слід виділити основні компанії-лідери: 3D Systems (США), EOS Gmbh (Німеччина), SLM Solutions (Німеччина), Stratasys (США), ObjectGeometries (США-Ізраїль), Envisiontec (США- Німеччина) DLP), ExOne (США), Voxeljet (Німеччина), Arcam AB (Швеція). Перед Росії сьогодні припадає близько 1% ринку. На жаль, країна відстає від лідерів за всіма основними напрямками – починаючи від виробництва матеріалів та обладнання, закінчуючи використанням готової продукції [113]. В Україні найбільшого поширення технологія 3D-друку бетоном за підсумками 2016 року згідно з оцінкою дослідження, наведеного в [26], набула у сферах створення малих архітектурних форм (42%), створення майстер-моделей для виготовлення форм (29%), створення складних елементів конструкцій будівель та регіонів. Сегмент «Інші» включає Індію, країни Латинської Америки, Австралію, Швецію, Італію, Бельгію, Іспанію та Нідерланди [113]. В нашій країні (виготовляють портальні принтери), компанію ApisCor, м. Київ (принтери, що працюють у кутових координатах). Менш поширеними є принтери з дельта приводом та принтери на базі промислових маніпуляторів. Найбільш поширеним видом 3D-принтерів, що серійно випускаються, є портальні. Необхідність зміцнення позицій вітчизняних компаній, що виробляють обладнання для адитивного будівельного виробництва споруд (18%), створення великих архітектурних форм (5%), інше (6%). Рисунок 1.31 – Прогноз структури ринку адитивних технологій до 2025 року регіонів. Сегмент «Інші» включає Індію, країни Латинської Америки, Австралію, Швецію, Італію, Бельгію, Іспанію та Нідерланди [113] В Україні найбільшого поширення технологія 3D-друку бетоном за підсумками 2016 року згідно з оцінкою дослідження, наведеного в [114], набула у сферах створення малих архітектурних форм (42%), створення майстер-моделей для виготовлення форм (29%), створення складних елементів конструкцій будівель та регіонів. Сегмент «Інші» включає Індію, країни Латинської Америки, Росію, Австралію, Швецію, Італію, Бельгію, Іспанію та Нідерланди [113] Серед вітчизняних компаній, що виробляють обладнання для адитивного будівельного виробництва, слід виділити ТОВ «СПЕЦАВІА», м. Ярославль (виробляють портальні принтери), компанію ApisCor, м. Москва що працюють у кутових координатах) Менш поширеними є принтери з дельта приводом та принтери на Основою промислових маніпуляторів. Найбільш поширеним видом 3D-принтерів, що серійно випускаються, є портальні. Необхідність зміцнення позицій вітчизняних компаній, що виробляють обладнання для адитивного будівельного виробництва споруд (18%), створення великих архітектурних форм (5%), інше (6%). У зв'язку з цим у даній роботі дослідження виконуються на вітчизняному портальному 3D-принтері «AMT S-6044», що серійно випускається, виробництва компанії ТОВ «СПЕЦАВІА», м. Київ. Підбір сировинних сумішей для даного виду принтерів, забезпечить підтримку та конкурентоспроможність вітчизняного обладнання та виробів, виготовлених із їх застосуванням, на світовому ринку. Таким чином, виконаний аналіз нормативної документації, процесів та способів будівельного 3D-друку, стану ринку адитивного виробництва дозволив встановити, що технологія 3D-друку є досить перспективним напрямом у будівельній галузі. При цьому варто зазначити, що вимоги до реологічних та технологічних властивостей бетонних та розчинних сумішей для 3D-друку цими національними стандартами не регламентуються. Тому значний інтерес на наступному етапі огляду представляє дослідження сировинних сумішей, що застосовуються та потенційно можливі для застосування в технології будівельного 3D-друку. 1.5. Сировинні суміші, що застосовуються у технології будівельного 3D- друку Аналіз літературних даних [87, 98, 101-105] дозволив виявити основні вимоги, що пред'являються до бетонних сумішей в адитивній технології з урахуванням експлуатаційних, рецептурних та технологічних факторів. труб, пластична міцність, тиксотропність), дисперсність, адгезійні властивості (щільне прилягання шарів), відсутність зламів суміші, відсутність тріщиноутворення, низька усадка, рівномірність твердіння (схоплювання), висока швидкість схоплювання після екструзії. Особлива роль формуванні властивостей композицій для будівельного друку відводиться реологічним характеристикам бетонної суміші [106, 107], так як раціонально підібраний склад композиційних в'яжучих здатний впливати на ефективну роботу формуючих пристроїв. плинності), в'язкість при різних швидкостях перемішування, площа петлі гістерезису, що характеризує ступінь структурованості системи та швидкість її відновлення після руйнування [108] Так, згідно з дослідженнями авторів [108] склади, що містять відходи виробництва автоклавного газобетону, мінімально підходять для застосування в технології будівельного друку через низьку межу плинності таких систем, що виявляється в зниженій схильності таких сумішей до структурування та збереження заданої форми. Переважній суміші автори пропонують використовувати суміші на основі композиційного в'яжучого, що містить бій важкого бетону на основі кварцитопісковика. не відповідає вимогам легких стінових конструкцій для 3D-друку. Одним з визначальних критеріїв при виборі компонентів сировинної суміші в технології будівельної 3D-друку методом пошарової екструзії є забезпечення швидкого набору міцності свіжосформованої бетонної суміші в початкові терміни твердіння. (С3S=65…68%, С3A≤8%) [109]. Крім того для портландцементів слід зважати на їх доступність і обсяг промислового виробництва. 18 911 тис. т (33,8% загального обсягу виробництва цементу в країні) [110]. З урахуванням сучасних вимог екології [110] крім бездодаткових портландцементів, а також портландцементів з активними мінеральними доцільно використовувати також портландцементи, що включають попутні продукти промисловості. Слід зазначити, що високі деформації усадки так само негативно позначаються на якості виробів, що формуються методом пошарової екструзії. Для вирішення проблеми високих усадочних деформацій бетону, що формується методом пошарової екструзії, авторами в роботі [103] запропоновано склад сухої будівельної суміші для 3D-друку, де в'яжучого застосовується гіпсоглиноземисте в'яжуче, що розширюється спільно з дрібним заповнювачем і комплексом добавок. Однак, глиноземистий цемент, будучи альтернативним рішенням в'яжучого у складі бетонної суміші, відрізняється більш високою вартістю порівняно з традиційним портландцементом. Дослідження з розробки складів конструкційних легких бетонів, у тому числі і для будівельного 3D-друку, реалізуються у [105]. Розроблені склади високоміцного легкого фібробетону мають середню щільність 1400 кг/м3; рухливість суміші (по діаметру розпливу) становить 170...250 мм; межа міцності при згинанні 6,5 МПа; межа міцності при стисканні 72,1 МПа; питома міцність 51,4 МПа; загальна пористість – до 33,4%; модуль пружності – 12,9 ГПа; коефіцієнт Пуассона – 0,276; марка по морозостійкості – від F300. Результати дослідження технологічних властивостей бетонів у технології безопалубного формування відображені у роботі [115] розроблено метод експериментальної оцінки пластичних властивостей бетонних сумішей; математична модель, що встановлює ступінь та характер впливу різних факторів на пластичні властивості бетонних сумішей при безперервному безопалубному формуванні; способи регулювання пластичності бетонної суміші шляхом введення пластифікуючої добавки та дисперсно армуючих волокон; рекомендації щодо визначення граничної розтяжності бетонної суміші. Сформульовані теоретична та практична значущість роботи [115] є дуже важливими та суттєвими з позиції підвищення якості будівельної продукції, що формується, у тому числі методом пошарової екструзії (3D-друку). Як альтернатива цементному в'яжучому в сумішах для 3D-принтерів застосовують гіпсове в'яжуче в комплексі з мінеральними добавками: відходами мокрої магнітної сепарації залізистих кварцитів і нанодисперсного кремнезему на основі гідротермальних розчинів [115]. В якості переваги застосування гіпсового в'яжучого в будівельному 3D-друку слід відзначити високу швидкість початкового структуроутворення, як недоліки слід відзначити низьку життєздатність суміші, низьку водостійкість виробів на основі в'яжучого гіпсового, вирішення яких може бути забезпечене різними способами, які описані в роботах [115]. Автором [116] розроблені порошкові та тонкозернисті бетони нового покоління, що максимально задовольняють вимоги щодо гранулометричного складу, які застосовні для будівельного 3D-друку. Аналіз світового досвіду існуючих технологічних рішень 3D-друку у будівництві виконаний у роботі [87] дозволив виявити вітчизняні та зарубіжні організації, що реалізують технологію 3D-друку у будівництві, їх рекомендації до складів сировинних сумішей та їх властивостей: WinSun (Китай), ТОВ «СПЕЦАВІ » (Росія), ApisCor (Росія), StroyBot (Rudenko 3DPrinter), BetAbram (Словенія), Contour Crafting Corp. (США), MIT Media Lab (США), Університет Лафборо (Великобританія), CyBe Construction (Голландія), DUS Architects (Голландія), Batiprint3D (Франція). Компанія «WinSun» (Китай) як «чорнила» для 3D-принтера рекомендує використовувати сировинну суміш на цементно-піщаній основі, що містить відходи від знесення будівель, скловолокно та спеціальну запатентовану добавку [88-91]. Ширина шару під час друку – 30-60 мм, середня щільність – 2000-2200 кг/м3, міцність при згинанні – 8,2 МПа, при стисканні – 34,5 МПа. Компанія ТОВ «СПЕЦАВІА» (Україна) рекомендує застосовувати для будівельного 3D-друку склад, що містить високоміцну цементну суміш з волокнами, на основі піскобетону марки М300 з додаванням каолінової суміші [112]. Ширина шару під час друку – 20-50 мм, середня щільність – 2200-2350 кг/м3, міцність при стисканні – від 30 МПа. Сировинна суміш, що використовується компанією StroyBot (Rudenko 3D Printer), є геополімерним бетоном з домішками вулканічного попелу [117]. Ширина шару під час друку – 30 мм, товщина – 10 мм, середня щільність – 2100-2250 кг/м3. Компанія BetAbram (Словенія) використовує для 3D-друку суміш на основі торкретбетону з піщаним (до 4 мм) та гравійним (4-8 мм) заповнювачами. Ширина шару під час друку – 40 мм, товщина – 10-20 мм, середня щільність – 2300-2350 кг/м3. Contour Crafting Corp. (США) при зведенні будівель методом пошарової екструзії застосовує розчини на основі сульфатостійкого цементу та піску розміром частинок не більше 2,5 мм, з вмістом фібри поліпропіленової з довжиною волокон 6 мм. Як функціональні добавки застосовується пластифікатор на полікарбоксилатній основі, регулятор в'язкості для забезпечення суцільності друкованого шару. Крім того, з метою підвищення міцності та водонепроникності композиту вводиться ущільнений діоксид кремнію [118-120]. Середня щільність – 2250 кг/м3, ширина шару під час друку – 25-50 мм, товщина – 30-40 мм. Міцність при стисканні – від 45- 50 МПа. Розробники компанії ApisCor пропонують застосовувати як сировинну суміш для 3D-друку дрібнозернистий фібробетон класу за міцністю на стиск В20, марки з морозостійкості F200, марки з водонепроникності W6 [122]. Ширина шару під час друку – 40-50 мм, товщина – 30 мм, середня щільність – 2050 кг/м3, міцність при стисканні – 27,4 МПа. Вченими з Університету Лафборо (Великобританія) розроблено сировинну суміш для 3D-друку середньою щільністю 2250-2350 кг/м3. Ширина та товщина шару під час друку – 25 мм. Міцність при згинанні - 12- 13 МПа, при стисканні - 100-110 МПа [123, 124]. Крім того, оптимальна сировинна суміш має співвідношення піску і сполучного 3:2, причому останнє містить 70% цементу, 20% золи-винесення та 10% мікрокремнезему, а також 1,2 кг/м3 поліпропіленових волокон довжиною 12/0,18 мм. Суміш має водоцементне відношення 0,26 разом із суперпластифікатором та сповільнювачем з дозами 1 та 0,5% від маси сполучного. Дана сировинна суміш призначена для друку через сопло діаметром 9 мм при створенні виробів завтовшки не більше шістдесят один шар без виникнення деформацій на них. CyBe Construction (Голландія) при будівництві будівель за технологією 3D-друку використовують бетонні суміші із заповнювачем (до 3 мм) середньою щільністю 2200 кг/м3. Період схоплювання суміші становить 3-5 хв, рухливість суміші на струшуючий столик становить 160 мм. Міцність затверденого шару в перші п'ять годин досягає 4 і 15 МПа, а через 28 діб твердіння - 6 і 45 МПа при згині та при стисканні відповідно [125]. Виконаний аналіз досліджень за складами, що застосовуються в будівельному 3D-друку різними організаціями, що реалізують технологію 3D-друку в будівництві, дозволив виявити, що ширина шару сировинної суміші, що екструдується, різних видів 3D-принтерів варіюється в діапазоні 20-60 мм, товщина - 10-40 мм, середня щільність – 2000-2350 кг/м3, міцність при згинанні – 6-13 МПа, міцність при стисканні – 27,4-110 МПа. є результатом наукових досліджень або сертифікованих випробувань, що не дозволяє обґрунтовано використовувати зазначені дані під час планування наукових досліджень про. Виконані випробування деяких із пропонованих складів у лабораторних умовах на будівельному 3D-принтері підтверджують це припущення. Резюмуючи наукові роботи в галузі розробки складів для будівельної 3D-друку методом пошарової екструзії слід відзначити роботи щодо номенклатури ефективних складів сумішей для будівельного 3D-друку, серед яких відзначено необхідність вивчення: моделей реологічної поведінки, процесів схоплювання та твердіння; Таким чином, виконаний аналіз сировинних сумішей, що застосовуються в технології 3D-друку, свідчить про недостатню вивченість впливу пропонованих різними дослідниками компонентів складу (особливо модифікуючих добавок) на реотехнологічні характеристики бетонних сумішей у технології будівельного 3D-друку. є розглянути застосування модифікуючих добавок (мінеральних та хімічних) у технології будівельної 3D-друк. 1.6. Застосування модифікуючих добавок у технології будівельного 3D-друку 1.6.1. Активні мінеральні добавки Одним з ефективних способів регулювання та забезпечення необхідних технологічних та будівельно-технічних властивостей бетонних сумішей у технології бетонів, у тому числі при 3D-друку, є застосування різних добавок, що модифікують. Введення активних мінеральних добавок до складу бетонних сумішей дозволяє заощаджувати витрати цементу, підвищувати щільність цементного каменю, водостійкість, знижувати проникність. Розглядаючи нормативні документи у сфері АМД, слід виділити такі класифікації. ДСТУ EN 934-5:2019 «Добавки для бетонів і будівельних розчинів». підрозділяє АМД на ті, що мають в'яжучі, розширювальні та пуццоланічні властивості. За ступенем прояву пуццоланічної активності АМД поділяються на володіють високою, середньою та низькою пуццоланічної активністю. Відповідно до ДСТУ Б В. 2.7-128:2006 «Будівельні матеріали. Добавки активні мінеральні та добавки-навповнювачі до цементу» залежно від роду активності прийнято розділяти на добавки, що володіють гідравлічними властивостями, і добавки, що володіють пуцоланічними властивостями. Відповідно до ДСТУ 9183:2022 «Цементи. Загальні технічні умови» в якості мінеральних добавок як основних компонентів цементу застосовують гранульований доменний або електротермофосфорний шлак, активні мінеральні добавки – пуццлонани (природні або штучні, паливні золи, у тому числі кислі або основні золи- внесення, мікрокрем глієж та обпалені сланці) і добавку-наповнювач – вапняк з відповідної нормативної документації. Аналіз класифікацій АМД у цементи, бетони та розчини згідно з нормативними джерелами свідчить про відсутність їх поділу за критерієм впливу на реологічні властивості сумішей, що є важливою умовою ефективності застосування АМД у технології 3D-друку методом пошарової екструзії. Аналіз літературних даних із цього питання дозволяє виділити класифікацію високодисперсних мінеральних компонентів, розроблену у [24], яка певною мірою враховує їх вплив на реологічні властивості. Відповідно до даної класифікації виділяють три групи: 1. Реологічно-активні (реакційно-латентні) добавки, які при достатній кількості води та у присутності суперпластифікаторів утворюють суспензії, що добре розріджуються, в індивідуальному вигляді або в суміші з цементом, а при помірному нестачі води і введенні стабілізуючих добавок утворюють щільну однорідну пластичну мінеральну масу. Вони можуть бути реакційно- інертними (вапняк, доломіт) або хімічно слабоактивними з уповільненою, розтягнутою в часі взаємодією з продуктами гідратації цементу (кварцове або кварцитове борошно, граніт, діабаз, габро, базальт). 2. Реакційно-активні добавки, які самостійно не тверднуть при замішуванні водою, але взаємодіють з продуктами гідратації цементу з утворенням додаткових цементуючих сполук. Деякі з них, що мають мозаїчний заряд поверхні частинок, мають реологічну активність. Інші, які мають негативний заряд, реологічно не активні, але в суміші з цементом при перезарядці поверхні утворюють агрегатно-стійкі суспензії (мікрокремнезем, дегідратований каолін, вулканічні попели, шибки, траси і т.д.). 3. Реологічно- та реакційно-активні добавки, мінеральні компоненти яких самостійно не тверднуть з водою. До цього класу відносять передусім деякі техногенні відходи металургії та теплоенергетики. Найбільш відомими добавками такого типу є доменний шлак і зола, які виробляються в менших обсягах порівняно з портландцементом, і доступні не в усіх країнах [24]. Розглядаючи досвід застосування зазначених вище груп добавок, слід відзначити застосування як реологічно-активної добавки в роботі [24] - тонкомолотого вапняного борошна (з розміром частинок 2,9 мкм) при спільному помелі з цементом і 1% пластифікуючої добавки. Авторами отримано бетонну суміш з рухливістю 12,5 см, що не задовольняє вимогам щодо застосування таких сумішей при пошаровому екструдуванні (3D- друку). Крім того, в отриманих авторами зразках спостерігається незначне зниження показників міцності бетону. Розглядаючи групу реакційно-активних добавок слід зазначити ефективність застосування мікрокремнезему з метою підвищення міцності виробів на основі дрібнозернистих бетонів [126], його введення у кількості 12% дозволяє збільшити міцність на стиск до 55%, на вигин – на 14%, внаслідок зв'язування вільного гідроксиду кальцію в низькоосновні гідросилікати кальцію, що мають велику міцність Також відомо застосування як реакційно-активних добавок прожареної при певній температурі та меленої до 250-800 м2/кг глини [126], що дозволяє підвищити середню щільність та коефіцієнт розм'якшення цементного каменю. Відомо застосування як реакційно-активних добавок відпрацьованого каталізатора нафтохімічного синтезу – алюмосилікату, біокремнезему, діатоміту, метакаоліну, трепелу, феросиліцію, які знайшли застосування у змішаних в'яжучих. У роботі [126] вказується, що при виборі сировини для виробництва бетонів нового покоління рекомендується віддавати перевагу реологічно- та реакційно-активним добавкам, які дозволяють знизити собівартість бетону. Як найбільш відповідну таку добавку автори використовують тонкодисперсну золу-унос, що утворюється при спалюванні бурого вугілля. Ефективність її застосування обумовлена кількома факторами: схожістю їх хімічного та мінерального складу із складом цементного клінкеру, високими реологічними властивостями під дією суперпластифікаторів та гідравлічною активністю з утворенням міцного затверділого каменю; наявність великої кількості вільного вапна сприяє швидкому загусання тіста і набору ранньої міцності. Іншим видом групи реологічно- та реакційно-активних добавок, що використовуються у будівництві, є доменний шлам [116], який є багатокомпонентною системою, що сприяє збільшенню хімічних реакцій зі створення силікатних систем з різним вмістом гідросилікатів кальцію, які відповідальні за показники міцності. У роботі [117] показано, що введення доменного шламу в кількості 10-50% до складу дрібнозернистого бетону дозволяє підвищити міцність на 12%, а щільність – на 7%, знизити водопоглинання на 5%, що позитивно впливає на формування експлуатаційних властивостей готових виробів з дрібнозернистого бетону. Крім того, отримані авторами зразки забезпечують марку дрібнозернистого бетону М250. Автори [117] встановили, що введення мікродисперсних добавок на основі сульфоалюмінатного клінкеру (САК), що містять аналоги продуктів гідратації цементу, при додаванні до цементу інтенсифікують процес його гідратації, що в кінцевому рахунку сприяє прискоренню раннього твердіння цементного каменю. Важливою умовою застосування тих чи інших добавок у технології бетонів є ефективність їх дії, яка може бути визначена різними критеріями: за кількістю оксиду кальцію (СаО), поглиненого АМД з насиченого розчину гідроксиду кальцію [101], за енергетичним потенціалом залежно від наявності на поверхні частинок адсорбційних центрів та катіонів різної активності [103] та ін. Даний коефіцієнт ефективності може виявитися корисним в оцінці впливу АМД на показники міцності в технології 3D-друку методом пошарової екструзії. В даний час відсутній критерій ефективності будівельного 3D-друку методом пошарової екструзії, який враховує зміну геометрії будівельної продукції внаслідок розтікання нижчих шарів, залежно від наявності добавок, що модифікують, зокрема АМД. Таким чином, виконаний літературний огляд свідчить про високу ефективність застосування АМД при отриманні цементів, розчинів та бетонів із заданим комплексом реотехнологічних властивостей, що мають найважливіше значення у технології формування бетонів методом пошарової екструзії (3D-друку). Численними дослідженнями встановлено особливості впливу АМД на структуру та властивості композитів на основі цементів різного мінералогічного складу у присутності різних хімічних добавок. Поруч авторів запропоновані класифікації мінеральних добавок за різними критеріями, що дуже зручно при застосуванні та аналізі їх ефективності. При цьому в даний час залишається невивченим питання впливу різних видів АМД на формування структури та властивостей бетонів, що формуються методом пошарової екструзії (3D-друку), а також на досягнення оптимальних реотехнологічних властивостей бетонних сумішей та фізико-механічних властивостей затверділого композиту, що викликає необхідність проведення подальших експериментальних досліджень у цій галузі. 1.6.2. Хімічні добавки Розглядаючи питання застосування хімічних добавок у технології будівельного 3D-друку слід зазначити недоліки, характерні дрібнозернистим бетонним сумішам і бетонам [127-129]: підвищена витрата цементу, значне водоцементне відношення, внаслідок цього розвиток усадочних деформацій, тріщиноутворення, невисока адгезія при значних перервах укладання шарів. Усунення зазначених недоліків для рухомих бетонних сумішей, що широко застосовуються, успішно здійснюється при використанні хімічних добавок різної дії, а також у комплексі з активними мінеральними добавками. Іншими недоліками дрібнозернистих бетонних сумішей, що знижують ефективність їх застосування при формуванні методом пошарової екструзії (3D-друку), є невисока складність бетонної суміші, що порушує геометрію та якість поверхні виробів. Важливою особливістю технології формування бетону методом пошарової екструзії (3D-друку) є відсутність технологічного етапу, спрямованого на ущільнення бетонної суміші, що формується після її екструзії. Таким чином, готові вироби характеризуються більш високою пористістю, меншими середньою густиною, міцністю та іншими пов'язаними з цим явищем властивостями. Це викликає необхідність максимально повно використовувати потенціал інших альтернативних способів підвищення густини та оптимізації порової структури композитів, наприклад, хімічною модифікацією бетонних сумішей добавками різної дії. Загальна характеристика хімічних добавок для бетонів наводиться в ДСТУ Б В.2.7-65-97, згідно з якою слід виділяти: 1. Добавки, що регулюють властивості бетонних і розчинних сумішей (пластифікуючі, водоредукуючі, стабілізуючі, що регулюють збереження рухливості, збільшують; 2. Добавки, що змінюють властивості бетонів і розчинів: що регулюють кінетику твердіння, що підвищують міцність, знижують проникність, підвищують захисні властивості по відношенню до сталевої арматури, підвищують морозостійкість, підвищують корозійну стійкість, розширюють; 3. Добавки, що надають бетонам та розчинам спеціальні властивості: протиморозні, гідрофобізуючі, фотокаталітичні. Значно великі можливості для регулювання процесів структуроутворення в'язких і бетонів мають поліфункціональні добавки, що мають два або кілька основних ефектів дії, що складаються з речовин, що належать до різних класів. Маючи синергізм дії вони взаємно посилюють корисний ефект, що забезпечується кожною з добавок окремо, і усувають негативні властивості індивідуальних добавок. Важливим аспектом, що визначає вибір хімічних добавок для застосування в технології пошарової екструзії (3D-друку) є ефективність роботи в бетонних сумішах різної рухливості. Відомо, що ефективність роботи тих чи інших хімічних добавок у цементних композиціях різного хімічного та мінерального складу, а також рухливості матиме суттєві відмінності. З іншого боку, на ефективність добавок істотно впливає їх хімічний склад. У роботі [130] показана ефективність застосування пластифікуючих та повітровтягуючих добавок («Поліпласт БФ 328») у складі малорухливих і жорстких бетонних сумішей у технології безперервного безопалубного формування бетонних та залізобетонних виробів та конструкцій, використання яких дозволяє збільшити швидкість руху формувальної машини, знизити час теплової обробки та підвищити показники міцності (бетон класів В30, В40), покращити зв'язність бетонної суміші, геометрію та якість поверхні виробів. Крім добавки «Поліпласт БФ 328» слід виділити не менш ефективні добавки, що застосовуються в екструзійній технології для лінії безопалубного формування та вібропресування – суміш поверхнево-активних натрієвих солей та алкілсульфатів «Поліпласт БФ», механізм дії якої заснований на так званому «ефекті підшипників. , та «Вібропласт». Їх введення в жорсткі бетонні суміші дозволяє при промисловому формуванні забезпечити підвищення щільності та однорідності структури відформованих виробів, підвищити зручність укладення суміші, знизити налипання бетону на штамп, покращити зовнішній вигляд виробів (якість лицьової поверхні), запобігти розтріскуванню виробів під дією вібрації (особливо для тонкостінних виробів). ) [130]. Досягнення таких властивостей бетонної суміші, як поліпшення зв'язності, зручності, забезпечення необхідної геометрії при формуванні, підвищення щільності і міцності, також зниження налипання бетону до робочих органів обладнання в технології формування бетонної суміші методом пошарової екструзії (3D-друку) є дуже важливими. Тому дослідження ефективності даних добавок у технології 3D-друку становить значний інтерес. Слід зазначити, що для малорухливих бетонних сумішей, що застосовуються в технології формування методом пошарової екструзії, крім розглянутих вище добавок, що пластифікують, для жорстких бетонних сумішей, можуть виявитися ефективними і інші пластифікуючі добавки з різними складами і хімічною основою. За складом суперпластифікатори класифікують на такі групи: на основі сульфованих нафталіноформальдегідних поліконденсатів (SNF); на основі сульфованих меламін-формальдегідних поліконденсатів (SMF); на основі очищених від цукру модифікованих лігносульфонатів (MLS); на основі полікарбоксилатів та поліакрилатів (P). Остання група пластифікаторів дістала назву гіперпластифікатори. Їх застосування дозволяє досягти зниження водопотреби більш ніж на 30% [71] Різноманітність складів і хімічної основи добавок, що пластифікують, наявність численних даних про ефективність різних груп пластифікуючих добавок в залежності від складу бетону і способу формування, а також відсутність експериментальних даних про їх вплив на властивості дрібнозернистих бетонів, що формуються методом пошарової екструзії (3D- друку), представляє науковий інтерес під час проведення подальших досліджень. У своїй роботі [104] авторзазначає наявність проблеми тріщиноутворення внаслідок пластичного усадки бетонної суміші, яку неможливо повністю усунути застосуванням хімічних добавок (у традиційному сенсі цього терміну, маючи на увазі пластифікуючі добавки). Ця проблема ускладнюється при скороченні термінів витримування бетону в опалубці, які згідно з EN 206-1 навіть у найбільш сприятливих умовах (при застосуванні активних цементів, складів з низьким В/Ц ставленням, за відсутності сонячної радіації та високої вологості) повинні становити не менше однієї доби , за несприятливих умов – до десяти діб. Це пов'язано з виключенням значних вологовтрат та забезпеченням нормальних умов гідратації цементу та формуванням мікроструктури композиту, що твердіє. Особливої актуальності дана проблема набуває при безопалубному способі формування бетонів методом пошарової екструзії (3D-друку), так як це неминуче призводить до значного модуля відкритої поверхні, що викликає значні втрати вологи з тіла бетону і пов'язане з цим тріщиноутворення внаслідок пластичного усадки. В даний час дана проблема вирішується, головним чином, двома способами догляду за бетоном в процесі твердіння, що полягає в забезпеченні оптимальних температурно-вологісних умов: зволоження поверхні, укриття вологоємними матеріалами, наприклад, мокрою тирсою та ін., а також використанням мембранних покриттів плівкоутворювальних складів, що наносяться на сформовані вироби та конструкції, наприклад, парафінових емульсій, гідрофобізаторів. Слід зазначити, що для бетонів з низьким В/Ц ставленням «вологе твердіння», що забезпечується поливом бетону, є найкращим, проте цей метод є більш трудомістким порівняно із застосуванням мембранних покриттів, менш технологічним при будівельному 3D-друку та більш залежним від прояву зовнішні кліматичні фактори. Так, наприклад, капілярний підсмоктування води при поливі нижчих шарів впливатиме на В/Ц відношення свіжоукладеного верхнього шару і внаслідок цього на його якість. Зазначені вище недоліки не виключають повною мірою використання даного способу при вирішенні проблем тріщиноутворення в бетоні, сформованого методом пошарової екструзії (3D-друку). Найбільшої ефективності при такому способі буде досягнуто із застосуванням його в комплексі з мембранними покриттями, що дозволить уникнути втрати вологи з відкритих поверхонь при виробництві бетонних робіт в екстремальних умовах, наприклад, в умовах жаркого клімату. Застосування плівкоутворювальних (хімічних) мембранних покриттів, а саме гідрофобізуючих добавок дозволяє уникнути або знизити розмивання (та інші дефекти) свіжоукладеного бетону, спричинених атмосферними опадами. Виникає питання, пов'язане з дослідженням впливу гідрофобізуючих добавок при об'ємному та поверхневому способах нанесення на структуру та властивості одержуваних дрібнозернистих бетонів при формуванні методом пошарової екструзії, є актуальним і викликає необхідність експериментальних та теоретичних досліджень. Авторами в роботі [131] методами СЕМ та РКТ досліджено особливості структуроутворення дрібнозернистого бетону на ПЦ ЦЕМ I 52,5Б, модифікованого вапняковим порошком, кальцинованою глиною, пластифікуючої добавкою на основі ефірів полікарбоксилату та модифікатора в'язкості, сформованого. Встановлено, що значний обсяг пір діаметром 10–1000 мкм розподілено рівномірно в області шару друкованих зразків, великі пори (1000–6000 мкм) зосереджені в основному на межі надрукованих шарів. Крім того, більшість пір мають неправильну та подовжену форму, що на думку авторів [131] може бути пов'язане з процесами екструзії в технології 3D-друку. Окремо слід виділити комплексні модифікатори (поліфункціональної дії), що включають ПАР та електроліти, які є найефективнішими [109]. Так, негативний вплив пластифікуючих та гідрофобізуючих добавок, що виявляється у уповільненні процесів гідратації та збільшенні загальної пористості бетону, може усунутись добавками-прискорювачами. Серед цієї групи можна виділити модифікатори, що містять кремнійорганічні сполуки та електроліти - (ГКЖ-10 + НК), (ЛСТ + ГКЖ-94 + СН). Вони забезпечують досить високу швидкість твердіння бетонів і подальшу їхню високу морозостійкість та корозійну стійкість. Авторами в роботі [131] досліджено ефективність розробленої комплексної добавки на основі сульфатно-содової суміші (ССС) у поєднанні з карбоксилатним поліефіром («Одоліт-К»). Показано, що їхнє спільне застосування призводить до підвищення міцності в першу добу на 70–96%, при цьому значно збільшується й марочна міцність (на 60%). Таким чином, ефективність запропонованої комплексної добавки в 2-3 рази перевищує ефективність роботи компонентів окремо. Введення органомінеральних комплексів у склади цементних композицій дозволяє регулювати як їх структурно-механічні властивості, а й технологічні. Так, авторами в роботі [131] показана ефективність застосування органомінерального модифікатора на основі поліфенілетоксисилоксану, поліакриламіду та метакаоліну на цементних композиціях, що дозволяє підвищити їх фізико-механічні характеристики, такі як межа міцності при згинанні, морозостійкість, знизити водопоглинання. Для підвищення межі міцності цементних композицій при згинанні авторами в роботі [131] досліджено можливість використання добавки на основі пластифікуючої добавки «Melment F-10» та мінерального компонента – тонкомолотих вулканогенно-осадових порід. Використання цього модифікатора призводить до підвищення межі міцності при згинанні на 35% порівняно з контрольним складом. Вплив органомінеральних добавок на технологічні властивості розглянуто у роботі [113]. Авторами встановлено, що найбільшою рухливістю (ОК = 27 см) серед аналізованих органомінеральних модифікаторів володіють бетонні суміші з органомінеральним комплексом, що складається з золи-винесення, золи рисового лушпиння в'єтнамської і пластифікуючої добавки «Sika ViscoCrete 5-New см) з органомінеральним комплексом із золи-винесення, золи рисового лушпиння в'єтнамської та суперпластифікатора С-3. Результати, відображені у роботі [128], свідчать про ефективність застосування малої кількості поліакриламіду (ПАА) у цементно-піщану суміш з точки зору збільшення її тиксотропних властивостей, проте разом з цим відзначається зниження водоутримуючої здатності суміші, і в кінцевому рахунку може призвести до розшарування суміші що негативно позначиться на міцності готового виробу. Таким чином, автори пропонують застосовувати дану модифікуючу добавку в комплексі багатокомпонентної добавки поліфункціональної дії при формуванні сумішей сумішей для будівельного 3D-друку. Інший позитивний результат застосування флоккулюючої добавки (ПАА) викладено у роботах [118, 119]. Так, введення в портландцемент ПАА до 0,1% призводить до інтенсифікації процесу гідратації у початковий період твердіння вивченої методами термосної калориметрії та контракції, підвищення межі міцності при згинанні цементноволокнистих композицій. Крім того, застосування ПАА сприяє інтенсифікації процесу поділу фаз, що підвищує технологічність виробництва цементноволокнистих композицій на основі целюлозних волокон. Виконаний огляд застосування хімічних добавок у технології будівельного 3D-друку дозволив виявити, що введення їх до складу бетонних сумішей впливає не тільки на фізико-механічні характеристики бетонів (підвищення міцності, водостійкості, зниження водопоглинання), а й на реотехнологічні властивості суміші (поліпшення формуваності). , Забезпечуючи необхідну рухливість). При цьому варто відзначити, що досі залишаються маловивченими питання впливу хімічних добавок на зазначені властивості бетонних сумішей та бетонів у технології будівельного 3D-друку. 1.7. Основні напрямки вдосконалення адитивного виробництва у будівництві шляхом оптимізації дрібнозернистих бетонних сумішей та бетонів Найважливіші фізико-механічні властивості та довговічність дрібнозернистих бетонів, що формуються методом пошарової екструзії, залежать від складу сировинних сумішей, їх реотехнологічних властивостей, характеру взаємодії частинок вихідних компонентів та новоутворень, порової структури затверділого композиту, умов твердіння. Сукупність цих факторів є основою оптимальних механізмів процесів гідратації та структуроутворення. Необхідність застосування активних мінеральних та хімічних добавок обумовлена необхідністю отримання сировинних сумішей з необхідними реотехнологічними властивостями, підвищеними фізико-механічними характеристиками та довговічністю, що є найбільш доступним та простим способом оптимізації зазначених властивостей. Проблема підвищеної пористості, характерна для бетонних виробів, одержаних методом пошарової екструзії (3D-друку), вирішується шляхом застосування активних мінеральних, а також оптимального співвідношення компонентів суміші (в'яжучого, дрібного заповнювача, мінеральних та хімічних добавок, води). Для зниження розвитку усадочних деформацій, тріщиноутворення, викликаних підвищеною витратою цементу при отриманні дрібнозернистих бетонів, а також для підвищення межі міцності та отримання більш зв'язкової суміші, необхідної для забезпечення формування без розривів і порожнеч слід застосовувати пластифікуючі добавки. Введення таких добавок до складу дрібнозернистої бетонної суміші дозволить регулювати їх реотехнологічні характеристики, такі як формуемість, зручність, тиксотропність, а також процеси структуроутворення. Застосування гідрофобізуючих добавок у складі дрібнозернистих бетонів у технології пошарової екструзії (3D-друку) дозволить знизити проблеми тріщиноутворення, викликані значними вологовтратами внаслідок наявності значного модуля відкритої поверхні формованих виробів, що утруднює догляд за бетоном, також це дозволить підвищити показники. та ін. Крім того, підвищений вміст гідрофобізуючих добавок у складі цементних композицій сприяє уповільненню процесів гідратації, що може бути ефективним для розробки технічних рішень щодо збільшення тривалості технологічної перерви при 3D-друку. Висновки по розділу 1 1. Вивчення світового досвіду адитивного будівельного виробництва дозволило виявити його стрімкий розвиток в даний час, чому свідчить зростання кількості об'єктів, впроваджених у будівельну практику, починаючи від малих архітектурних форм, елементів благоустрою, будівельних виробів та конструкцій, закінчуючи введеними в експлуатацію будинками та спорудами, зведеними із застосуванням технології 3D-друку. Цьому сприяє серійне виробництво та вдосконалення в нашій країні та за кордоном установок адитивного будівельного виробництва (3D-принтерів) різних за типом пристрою, продуктивності та робочої області друку. принципи адитивного виробництва, вимоги до матеріалів, методів випробувань та ін. 2. Аналіз розвитку адитивних технологій свідчить, що появі їх у будівництві передує досвід адитивного виробництва в інших галузях, при цьому існуюча практика формування будівельних виробів з розчинних та бетонних сумішей методом 3D-друку не дозволяє отримати високоякісну будівельну продукцію внаслідок виникнення дефектів та пошкоджень, вид та характер яких дуже різний. 3. Дослідження сучасних наукових та технологічних основ управління структурою і властивостями бетонів, що формуються різними методами, дозволило узагальнити накопичений досвід і зробити висновок про відсутність таких для бетонів у технології адитивного виробництва. з урахуванням технологічних особливостей 3D-друку. 4. Дослідити обґрунтоване технологічне рішення щодо збільшення тривалості перерв у процесі 3D-друку із забезпеченням високої адгезії друкованих шарів. 7. Дослідити обґрунтоване технологічне рішення щодо апробації адитивного будівельного виробництва регулюванням тривалості перерв у процесі 3D-друку бетонною сумішшю із уповільненою кінетикою набору пластичної міцності. 8. Дослідити технологічні параметри адитивного будівельного виробництва шляхом розробки науково обґрунтованого підходу, що ґрунтується на вивченні напружено-деформованого стану надрукованих шарів, що забезпечує прогнозування процесів розвитку їх деформацій, для отримання конструкцій з геометричними відхиленнями в межах нормативних значень. РОЗДІЛ 2. ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ АДАПТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА 3D ДРУКУ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД МЕТОДОМ ПОШАРОВОЇ ЕКСТРУЗІЇ ЗА РАХУНОК МОДИФІКАЦІЇ СКЛАДУ БЕТОННИХ СУМІШЕЙ 2.1. Передумови теоретичних основ формування методом пошарової екструзії В даний час не сформульовані теоретичні основи будівельного 3D- друку, проте є наукові роботи, спрямовані на розширення сфери застосування існуючих теоретичних положень механіки в даній технології. Так, у роботах [132, 133] вивчено застосування теорії критичних відстаней в адитивному виробництві. Дані дослідження засновані на аналітичному вирішенні завдання пружнопластичного деформування виробу, що друкується, методом кінцевих елементів, при цьому початком руйнування вважається досягнення найбільш навантаженому елементі граничного значення деякого параметра (напруги, деформації тощо.) [133]. Бетон, надрукований на 3D-принтері, є анізотропним матеріалом, у зв'язку з чим його механічні властивості відрізняються від властивостей бетону, сформованого лицьовим або вібраційним способом, залежно від напрямку навантаження щодо напряму друку. Анізотропія механічних властивостей бетону обумовлена концентрацією більшої частини порожнин у міжшарових областях друкованих виробів і нерозривно пов'язана з адгезією надрукованих шарів між собою [108, 134]. При цьому утворюються порожнечі знижують міцності властивості бетону, надрукованого на 3D- принтері, в поперечному напрямку поверхні розділу шарів (рис. 2.1). Рис. 2.1 – Напрямок навантаження та відносна міцність бетону, надрукованого на 3D-принтері, по відношенню до межі розділу шарів (відносна міцність зазначена у відсотках від міцності бетону, сформованого лицьовим способом): а – перпендикулярно; б – поздовжньо; в – поперечно [135, 136] У роботі [135] досліджено застосування теорії критичних відстаней для оцінки впливу дефектів на статичну міцність бетону, надрукованого на 3D- принтері. Зразки, виготовлені для досліджень (рис. 2.2) сформовані на будівельному 3D-принтері методом пошарової екструзії з сировинної суміші на основі портландцементу ЦЕМ I 52,5Н, золи-віднесення, мікрокремнезему, піску, суперпластифікатора на основі полікарбоксилат схоплювання на основі метиленфосфонової кислоти. Створення дефектів як порожнеч виконувалося шляхом регулювання швидкості друку. Рис. 2.2 – Зразки, надруковані на 3D-принтері, з різними типами дефектів [135] Результати виконаних квазістатичних випробувань вищезгаданих зразків бетону на триточковий вигин наведено на рис. 2.3. Рис. 2.3 – Приклади руйнування зразків, ослаблених дефектами як різних типів порожнин [135] За результатами досліджень [135] встановлено, що теорія критичних відстаней дозволяє точно моделювати вплив дефектів на бетон, надрукований на 3D-принтері, незалежно від розміру та геометричних особливостей оцінюваного концентратора напруги. Крім того, авторами [135] визначено, що шорсткість поверхні бетону у вигляді «хвиль», що виникає внаслідок особливостей технології 3D-друку, знижує його статичну міцність на 15-25%. Як перспективи подальшої розробки теми авторами [135] пропонується продовжити наукові дослідження в даній галузі з позиції застосування теорії критичних відстаней на армований бетон, надрукований на 3D-принтері. У роботі [136] представлена чисельна модель, що характеризує фази екс-трузії шарів сировинної бетонної суміші. При цьому для відтворення реологічних властивостей сировинної бетонної суміші в ранньому віці в роботі застосовано рівняння Бінгама, модифіковане з урахуванням її тиксотропних властивостей. У роботі показано, що тиксотропні властивості суміші надають визначальний вплив на загальну деформацію виробу, а також деформацію нижніх шарів при стисканні. На думку авторів, розроблена модель застосовна для оптимізації параметрів 3D-друку з точки зору реологічних властивостей сировинних сумішей (траєкторія руху соп-ла, тривалість друку, технологічних перерв та ін). Разом з тим у запропонованій моделі бетонна суміш розглядається як однорідна в'язка рідина, що не дозволяє врахувати особливості технології 3D-друку та анізотропію одержуваних виробів. Однією з найважливіших завдань у технології адитивного будівельного виробництва є прогнозування деформацій друкованих виробів та конструкцій. Вирішення цієї задачі утруднюється внаслідок різноманіття різних взаємозалежних між собою параметрів друку (реотехнологічні властивості сировинної суміші, геометричні характеристики виробу, технологічні параметри друку та ін.). У зв'язку з цим у роботі [137] проводиться імовірнісний вплив реотехнологічних властивостей бетонної суміші на деформації виробу в процесі 3D-друку. Із застосуванням методу метамоделювання Кригінга оцінена ймовірність різних видів руйнування бетонної конструкції при її пошаровій екструзії. Застосовність і ефективність запропонованого імовірнісного аналізу для 3D-друку встановлена за допомогою великої кількості чисельних досліджень, які проводилися при різних технологічних параметрах друку і для виробів і конструкцій з різними геометричними характеристиками. Встановлено значний вплив варіативності параметрів друку на поведінку конструкції в процесі екструзії, яка, на думку авторів, часом ігнорується в літературних джерелах. У дослідженнях [138, 139] представлений підхід до чисельного моделювання процесу 3D-друку, заснований на припущенні про однорідне середовище бетонних сировинних сумішей. Для виключення значних відхилень і нелінійності рішення, які виникають в результаті використання неньютоновського закону реології, рівняння Навье-Стокса вирішуються із застосуванням методу кінцевих елементів. Запропонований підхід був застосований для моделювання 3D-друку шести прямолінійних одношарових та одного багатошарового зразка. Встановлено, що розроблена модель дозволяє отримати додаткову інформацію про процес екструзії та деформації виробів шляхом проведення параметричних досліджень. Результати дослідження мають найважливіше значення для прогнозування і запобігання дефектів у процесі екструзії (наприклад, утворення розривів і несплошностей), а також для забезпечення необхідних геометричних параметрів виробу шляхом оптимізації реотехнологічних властивостей сировинних сумішей. Запропонована модель також може бути застосована для розробки нових ефективних бетонних сумішей для 3D-друку, оцінки впливу різних форм сопел на характеристики готових виробів, а також для вивчення різних умов друку (друк по криволінійній траєкторії складної форми, друк на неплоських шарах) та ін). Слід зазначити, що у [138] основну увагу приділено процесу екструзії та прогнозування деформацій виробів на ранніх стадіях твердіння, у зв'язку з чим авторами прийняті незмінні реологічні характеристики сумішей. Однак при моделюванні більш тривалого часу 3D-друку важливого значення набувають повзучість матеріалу [138], його тиксотропні властивості [138], а також інтенсивність протікання процесів гідратації в'яжучого. Вирішення цих завдань становить значний інтерес для досліджень та дозволить моделювати процеси 3D-друку масштабних конструкцій. Відомо, що пластична міцність сировинної суміші для 3D-друку визначає її формостійкість (можливу висоту друку), а також швидкість процесу пошарової екструзії, що забезпечує стійкість конструкції. Так у роботі [139] за допомогою чисельного моделювання, заснованого на методі Мора-Кулона, визначено критерії формостійкості, що ґрунтуються на показниках пластичної міцності, а також залежності деформативності друкованих конструкцій від реотехнологічних властивостей бетонних сумішей. Вивчено режими руйнування при різній висоті друкованих виробів. Для оцінки точності запропонованих критеріїв розроблена нелінійна кінцево- різнисна модель виробів, сформованих методом пошарової екструзії, із застосуванням методу моделювання властивостей матеріалів в різні моменти часу. На основі натурних експериментів авторами встановлено, що розроблена методика і певні за допомогою її критерії демонструють більш високу точність порівняно з існуючими методами оцінки ефективності застосування сировинних сумішей у 3D-друку. У роботі [140] представлений методологічний підхід до розробки складів дрібнозернистих бетонних сумішей на основі композиційних в'яжучих для 3D-друку. Авторами розроблені сировинні суміші на основі цементного в'яжучого з додаванням обпаленої глини і вапняку, при цьому вміст цементу складав не більше 270 кг/м3, а міцність виробів досягала 30 МПа, що обумовлює економічну доцільність запропонованого рішення. Разом з тим реотехнологічні властивості сумішей відповідали вимогами технології 3D-друку і мали більш оптимальні показники в порівнянні з не модифікованими складами. У цьому зв'язку особливий інтерес становлять дослідження, спрямовані на розробку інноваційних альтернативних складів дрібнозернистих бетонних сумішей на основі композиційних в'яжучих для 3D-друку. Технологія адитивного будівельного виробництва характеризується шаровим нанесенням сировинної суміші, що обумовлює неминучість утворення меж розділу шарів з меншими показниками міцності і виражену анізотропію властивостей затверділого композиту, сформованого методом 3D-друку. Дане явище може негативно впливати на механічні характеристики, довговічність і безпеку надрукованих конструкцій. У роботі [280] із застосуванням методу кінцевих елементів виконано моделювання бетонних конструкцій, сформованих методом 3D-друку, вивчено вплив кордонів розділу шарів на їх міцнісні властивості при різних параметрах навантаження. Результати, отримані в рамках даного дослідження, дозволяють прогнозувати процеси руйнування міжфазних зв'язків і характер деформацій виробів і конструкцій, надрукованих на 3D-принтері. У роботі [141] пропонується цілісний підхід розробки ефективних бетонних сировинних сумішей для великомасштабної 3D-печати. У концептуалізованої методології, представленої в даній роботі, розглянуті два рівні. На першому рівні автором вивчено вплив різних факторів на реотехнологічні властивості сумішей за критеріями відповідності вимогам технології адитивного виробництва з точки зору формуваності, перекачування, термінів схоплювання і формостійкості. Розроблено емпіричні моделі для прогнозування реотехнологічних властивостей сировинних сумішей, а також теоретичні моделі, що визначають відповідність їх реотехнологічних властивостей вимогам 3D-друку з точки зору формуваності та підтверджені авторським експериментальним методом. На другому рівні розглянуті геометричні характеристики виробу, що надають суттєвий вплив на показники їх міцності і стійкості і визначають можливість їх застосування в якості конструкційних матеріалів. При вивченні автором технологічного процесу пошарової екструзії велика увага приділяється оптимізації параметрів 3D-друку та особливостям формування властивостей матеріалу на межі контакту шарів. Таким чином, розглянуті теоретичні положення в більшості випадків мають приватний характер і не дозволяють повною мірою охарактеризувати особливості формування структури та властивостей бетонів у технології адитивного виробництва. Вирішення цього завдання полягає у розробці наукових та технологічних основ управління структурою та властивостями бетонів, що формуються методом 3D-друку. Для цього на наступному етапі роботи виконані численні експериментальні дослідження структури і властивостей цементних і гіпоцецементно-пуцоланових розчинів і бетонів, що формуються методом пошарової екструзії. Встановлено, що наукове та технологічне завдання розробки оптимального складу бетонних сумішей для пошарової екструзії (3D-друку) ускладнюється вимогами забезпечення однорідності та щільності сформованої суміші за відсутності процесів віброущільнення, при одночасному забезпеченні її формостійкості, стабільності мікро та макроструктури. -Ділого композиту. Це достатньо знижує інструментарій способів регулювання структури і властивостей бетонних і розчинних сумішей, що склався до теперішнього часу, що вимагає розробки нових науково-обґрунтованих технологічних рішень щодо їх адаптації до адитивного виробництва. 2.2. Характеристика установки адитивного виробництва (3D-принтера) Формування зразків та виробів із сировинних будівельних сумішей методом пошарової екструзії здійснювалося в лабораторії адитивних технологій будівельного виробництва ФДБОУ У КДАСУ на цеховому будівельному 3D-принтері «АМТ S-6044» виробництва компанії ТОВ «СПЕЦДРУК» (м. Київ), організованому рис 2.4), за допомогою її тривимірного друку за заздалегідь розробленою тривимірною цифровою моделлю (G-code). Вибір даного 3D-принтера обумовлений його доступністю на вітчизняному ринку, серійним виробництвом, а також можливістю регулювання параметрів 3D-друку в відносно широкому інтервалі. Технічні характеристики 3D-принтера «AMT S-6044» [142] наведені в таблиці 2.1. Таблиця 2.1 – Технічні характеристики 3D-принтера «АМТ S-6044» Найменування Технічні характеристики Довжина, мм 4000 Ширина, мм 4000 Висота, мм 2800 Вага, кг 870 Виробник ТОВ «СПЕЦДРУК» Країна-виробник Україна.. Тип привода Крокові електродвигуни із циліндричними редукторами Тип Малоформатний портальний будівельний 3D-принтер серії S Призначення Друк елементів будівель до 12,6 м2, малих форм, вуличних меблів, архітектурного декору, ЗБВ Принтер призначений для встановлення в цеху.. 3 Продуктивність, м /ч 0,6 Робоча зона, мм 3500x3600x1000 Комплектація Принтер, ноутбук, комплект ліцензійного ПЗ, шафа управління, паспорт, посібник з експлуатації російською мовою, безповоротне транспортне упакування. Потужність, кВт 1,6 Розмір шару, що друкується, мм 10 х 30 (висота, ширина) Рис 2.4 – Загальний вигляд будівельного 3D-принтера «GTFlasty»: 1 – друкуюча головка (сопло); 2 – бункер; 3 – портальна балка; 4 – супорт; 5 – напрямна балка; 6 – стійка; 7 – супорт портальної балки 2.3. Створення зразків методом будівельного 3D-друку Процес створення зразків з цементно-піщаних і бетонних сумішей методом пошарової екструзії (3D-друку) включав наступну послідовність технологічних операцій: 1. Створення цифрової тривимірної моделі об'єкта в графічному редакторі (Autodesk Inc.). 2. Розподіл моделі на шари в поперечному перерізі в програмному комплексі «Sheet Cam» (Stable Design). 3. Переведення тривимірної цифрової моделі в цифрові дані мовою програмування G-code, що дозволяє моделювати, формувати коди та керувати 3D-принтером у програмному комплексі Mach3 (Artsoft founder Art Fenerty). Основними технологічними параметрами, що надають значний вплив на процеси друку та створення якісних виробів, які дозволяють регулювати роботу будівельного 3D-принтера за допомогою ПК «Mach3», є швидкість руху друкувальної головки та швидкість екструзії бетонної суміші. Швидкість руху друкувальної голівки налаштовується за допомогою інструмента «Подача» та дозволяє варіювати її в діапазоні 0,02-18 од. Швидкість подачі бетонної суміші регулюється інструментом Шпіндель, її діапазон для друку становить 200-50000 од. 4. Приготування сировинної суміші із заданими властивостями. Перемішування компонентів сировинної суміші проводили в бетонозмішувачі примусової дії протягом 10 хвилин до отримання однорідної маси. Далі після визначення реологічних і технологічних властивостей суміші проводилася її ручна заправка в знімний накопичувальний бункер будівельного 3D-принтера. 5. Передача розробленого коду на друкуючу голівку-екструдер. 6. Пошарова екструзія сировинної суміші відповідно до заданої цифрової тривимірної моделі. 7. Затвердіння матеріалу до завершення формування об'єкта. 8. Вторинна обробка: видалення підтримуючої структури (підложки) – за наявності. Для виконання експериментальних досліджень на застосовуваному будівельному 3D-принтері були прийняті наступні інтервали параметрів 3D- друку, що варіюються: швидкість обертання шпинделя – 10000-20000 од., швидкість руху екструдера – 4900-7000 од. 2.3. Вплив видів портландцементів, заповнювачів та їх співвідношення на основні властивості композитів, сформованих методом адитивного виробництва (3D-друк) У технології адитивного виробництва (3D-друку) для створення сировинних сумішей найбільше застосування знаходять цементні в'язкі [78, 126, 143, 144]. Відповідно до досліджень [144] у 2021-2028 роках прогнозується зростання світового ринку цементу більш ніж на 40%. Автори відзначають, що, незважаючи на уповільнення зростання світового ВВП у 2022-2023 роках. до 3,2%, загальносвітові економічні тенденції до зростання та розвитку виробництва цементних в'яжучих збережуться. Станом на 2020 Росія займала 8 місце у світі за обсягами виробництва цементного в'яжучого, частка імпортного цементу на будівельному ринку становила-2,6%, частка експорту - 1,7% [78]. При цьому для вітчизняних виробників цементу період із 2016 по 2020 рік характеризується переходом від мокрої технології його виробництва до більш продуктивної та менш енерговитратної сухої технології, що супроводжується нарощуванням та створенням «запасу міцності» виробничих потужностей. Основний обсяг виробленого країни цементу на 2020 р. припадає частку ПЦ без мінеральних добавок (≈ 60%) і ПЦ з добавками (≈ 34% від загальної кількості виробленого ПЦ) [126]. Таким чином, за критерієм доступності застосування ПЦ без мінеральних добавок для розробки складів МЗБ у технології адитивного виробництва є найбільш раціональним. Аналіз наявних літературних даних свідчить про наявність великої кількості досліджень, спрямованих на вивчення та розробку складів для 3D- друку. Так у роботах [145, 146, 147] встановлена доцільність застосування в технології адитивного виробництва нормальнотвердіють і швидкотвердне ПЦ (підкласи N і R в класифікації EN 197-1). Підвищений вміст мінералів аліту і трикальцієвого алюмінату у складі різних видів цементів зумовлює високі темпи структуроутворення та набору міцності бетонів на їх основі. Дані види цементів застосовуються при виготовленні швидкотвердіючих ПЦ, що мають алітовий клінкер (С3S≥60%), які поділяються на швидкотвердні ПЦ з вмістом аліту і трикальцієвого алюмінату в кількості 60-65%; особливо швидкотвердіючі ПЦ, вміст аліту в яких становить 60-65%, трикальцієвого алюмінату – не більше 8%; над-швидкотвердні ПЦ, які крім аліту (65-68%) і трикальцієвого алю-мінату (≤8%) містять добавки чотирикальцієвого алюмофериту і хлориду кальцію, що вводяться при помелі клінкеру [349]. У цьому вивчення і застосування швидкотвердіючих видів ПЦ в технології адитивного будівельного виробництва є дуже актуальним завданням. При цьому крім вищевказаних видів ПЦ в технології 3D-друку можливе ефективне застосування альтернативних видів цементів, наприклад, сульфоалюмінатних [148]. Особливості формування реотехнологічних властивостей сумішей і фізико-технічних характеристик бетонів і розчинів, у тому числі сформованих методом пошарової екструзії, істотно залежать від дрібних характеристик заповнювача та наповнювачів [124]. Так у роботі [124] визначено вимоги до властивостей та характеристик наповнювачів для сировинних сумішей, що застосовуються в технології адитивного виробництва, а також чисельні критерії їх оцінки, які, на думку авторів, дозволяють апріорно визначити можливість застосування різних складів сумішей для будівельного 3D-друку. При цьому дослідження проведені на 5 видах конкретних наповнювачів, у зв'язку з чим особливий інтерес є отримання експериментальних закономірностей впливу критеріїв оцінки наповнювачів на реотехнологічні характеристики сировинних сумішей. У роботі [128] представлені результати досліджень впливу виду, змісту та характеристик наповнювачів на реотехнологічні властивості сировинних сумішей для 3D-друку. Виявлено, що найкраща екструдованість характерна для складів, поведінка яких при стисканні описується в'язко-пластичною течією без руйнування структури. Крім того, показано, що полідисперсні наповнювачі (d=1-630мм) забезпечують можливість ефективного регулювання пластичності та стійкості структури сумішей. У роботах [111-114] показано вплив різних характеристик дрібного заповнювача (якісний та кількісний склад шкідливих домішок, показники міцності, форма і поверхні частинок, гранулометричний склад) на міцність бетону. Однак, на думку ряду дослідників, міцність бетону достатньою мірою не визначається міцністю його заповнювачів [118]. Вирішальними чинниками згідно з Баженовим Ю.М. [42] в даному випадку є структурні особливості бетонних композитів, які характеризуються співвідношенням цементного каменю та заповнювача, а також їх структурою, властивостями та особливостями розподілу в моноліті. У тонких складах бетону, співвідношення в'яжуче: заповнювач в яких становить 1:4-1:5, вплив характеристик дрібного заповнювача на фізико-механічні властивості затверділих композитів найбільш помітно. Так міцність даних видів бетону залежить від щільності та характеру розподілу зерен наповнювача, а також кількості їх взаємних контактів в обсязі матеріалу. Варто відзначити, що зменшення крупності заповнювача в худих МЗБ призводить до зниження їх показників міцності. При цьому даний негативний ефект нівелюється у жирних розчинах. Рис. 2.5 – Вплив крупності піску на рухливість цементно-піщаної суміші та витрата цементу в рівнорухових та рівноміцних цементних розчинах за даними Ю.М. Баженова [42] Аналіз літературних даних дозволив встановити, що зменшення крупності заповнювача (піску) призводить до збільшення витрати цементу під час виготовлення бетону. Так Ю.М. Баженовим у роботі [42] показано збільшення витрати цементу на 3-5% при зменшенні модуля крупності піску на 0,1. У дослідженнях [149] встановлено, що зменшення модуля крупності піску на 41% (з 2,63 до 1,55) при варіюванні його питомої поверхні в інтервалі 60-120 см2/г зумовлює збільшення витрати цементу на 24% на 1м3 бетону (з 334 до 415 кг). Форма і характер поверхні частинок заповнювача впливають на межі міцності при згинанні та стисканні бетону, а також на оптимальні значення необхідної кількості води замішування. Так у дослідженнях [143-147] встановлено, що зерна заповнювача з гладкою, окатаною поверхнею надають негативний вплив на показники міцності бетонів. У роботах Ю.М. Баженова показано, що гострокутна форма і шорстка поверхня зерен подрібнених пісків позитивно впливає на мікроструктуру затверділих бетонів. Застосування таких заповнювачів також дозволяє значно підвищити величину адгезії частинок піску з цементним каменем, що зумовлює збільшення показників міцності бетонів [42]. Дрібний заповнювач здатний впливати на дію ПД. У роботі [150] показано, що суперпластифікатор С-3 малочутливий до вигляду дрібного заповнювача на відміну від використання у складі бетонної суміші гіперпластифікатора Melflux, що проявляється у зміні розпливу конуса до 20%. Це свідчить про те, що адсорбційні шари на поверхні частинок кварцового піску в залежності від хімічної основи ПД мають різний вплив на їхню здатність до розрідження. Таким чином, вивчення впливів видів ПЦ, заповнювачів, їх співвідношення та характеристик на особливості формування реотехнологічних властивостей сумішей та фізико-технічних властивостей бетонів у технології 3D-друку є актуальним завданням. При проведенні експериментальних досліджень як вихідні матеріали застосовувалися ПЦ з різним класом, хімічним і мінералогічним складом відповідно до ДСТУ Б В.2.7-46:2010, дрібний заповнювач (кварцовий пісок) з різним модулем крупності (Мк = 1,2; 2,3; 3) відповідно до ДСТУ Б В.2.7-32- 95. Були виготовлені 13 складів розчинів та бетонів з різними співвідношенням Ц/П та марками по рухливості Пк 2 – Пк 4 (Таблиця 2.2). Регулювання рухливості досліджуваних розчинних та бетонних сумішей проводилося шляхом зміни кількості води замішування. Таблиця 2.2 - Характеристики вихідних складів Модуль Марка рухомості / № Вид цементу крупності Ц/П глибина занурення складу піску конуса, см 1 Пк 2 / 6,5 2 ЦЕМ ІІ/А-Ш 32,5Б Мк 1,2 1:2 Пк 3 / 8,7 3 Пк 4 / 12,0 4 Мк 1,2 Пк 3 / 8,8 5 Мк 2,3 Пк 3 / 8,9 ЦЕМ І 42,5Н Мк 3 1:2 Пк 2 / 7,0 6 7 Мк 3 Пк 3 / 8,9 8 Мк 1,2 Пк 3 / 8,9 9 Мк 2,3 Пк 3 / 8,9 ЦЕМ І 42,5Н Мк 3 1:3 Пк 2 / 7,0 10 11 Мк 3 Пк 3 / 8,9 12 ЦЕМ ІІ/А-П 32,5Н Мк 3 1:3 Пк 2 / 7,0 13 ЦЕМ ІІ/В-П 32,5Н Мк 3 1:3 Пк 2 / 7,0 На першому етапі досліджень вивчено вплив виду ПЦ на нормальну густоту та термін схоплювання цементного тесту на їх основі (таблиця 2.3). Таблиця 2.3 - Нормальна густота, терміни схоплювання досліджуваних ПЦ Строки тужавіння, хв № п/п. Вид цементу НГ, % початок кінець 1 ЦЕМ I 42,5Н 32,0 224 268 2 ЦЕМ ІІ/А-П 32,5Н 33,9 158 283 3 ЦЕМ II/В-П 32,5Н 40,5 221 343 4 ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б 27,6 193 275 Як видно з таблиці 2.3 найбільшу водопотребу має ПЦ ЦЕМ II/В-П 32,5Н, що обумовлено високим вмістом мікрозернистої мікропористої крем'яної гірської породи (опоки) з розвиненою питомою поверхнею, що вимагає її змочування значного обсягу води. Найменша водопотреба й у цементу ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б. Початок схоплювання цементного тесту на основі ПЦ з мінеральними добавками настає на 3-66 хв раніше, кінець схоплювання – на 7-75 хв пізніше порівняно із складом на основі бездодаткового ПЦ. На наступному етапі вивчено вплив виду ПЦ, співвідношення Ц/П, модуля крупності піску та рухливості досліджуваних сумішей на їх реотехнологічні властивості та фізико-технічні характеристики бетонів та розчинів, надрукованих на 3D-принтері (таблиця 2.4). Таблиця 2.4 – Реотехнологічні властивості сумішей та фізико-технічні характеристики бетонів та розчинів, надрукованих на 3D-принтері, залежно від виду ПЦ, співвідношення Ц/П, модуля крупності піску та рухливості сумішей Пк2 208 1890 3,6 21,1 12,7 6,5 ЦЕМ ІІ/А-Ш Пк3 Мк 1,2 1:2 104 2000 3,9 22,9 12,1 32,5Б 8,7 Пк4 29 1950 3,7 21,8 14,6 12,0 Пк3 Мк 1,2 58 2020 5,2 29,0 8,8 8,8 Пк3 Мк 2,3 63 2040 5,4 31,7 8,7 8,9 ЦЕМ І 42,5Н 1:2 Пк2 Мк 3 79 2070 6,1 36,2 8,6 7,0 Пк3 Мк 3 73 2080 6,4 37,4 8,2 8,9 Пк3 Мк 1,2 67 1950 3,6 24,5 9,6 8,9 Пк3 ЦЕМ І 42,5Н Мк 2,3 1:3 77 1980 4,4 26,4 9,6 8,9 Пк2 Мк 3 94 2050 5,3 33,9 9,5 7,0 Вид ПЦ Модуль крупності піску Ц/П Марка рухомості / глибина занурення конуса, см Питома напруга зрушення, Па Середня щільність, 3 кг/м Rвиг, МПа Вст, МПа Вологість, W? % Пк3 Мк 3 84 2060 5,7 35,1 8,9 8,9 ЦЕМ ІІ/А-П Пк2 Мк 3 1:3 113 2010 3,7 26,0 10,8 32,5Н 7,0 ЦЕМ ІІ/В-П Пк2 Мк 3 1:3 116 2020 2,8 21,8 12,7 32,5Н 7,0 Як видно з таблиці 2.4, для складів на основі ПЦ ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б та піску з модулем крупності Мк 1,2 при Ц/П = 1:2 найкращі показники за критеріями граничної напруги зсуву суміші, середньої щільності, меж міцності та водопоглинання затверділого композиту досягаються при рухливості Пк 3. При цьому розчини на основі суміші рухомості Пк 2 аналогічного складу характеризуються зниженням досліджуваних показників, що обумовлено особливостями технології 3D-друку, які полягають у збільшенні пористості композитів внаслідок підвищеного повітрозтягування сумішей з малою рухливістю при їх переміщенні шнеком у бункері 3D-принтера, що супроводжується збільшенням дефектності матеріалу. Це явище нами спостерігалося і на зразках іншого складу аналогічної рухливості [356]. Збільшення рухливості до Пк 4 супроводжується значним зниженням граничної напруги зсуву суміші, що не дозволяє виконати формування зразків методом екстразії пошарової із заданими геометричними характеристиками. Крім того, встановлено, що формування бетонних і розчинних сумішей марки рухливості Пк 1 технічно нездійсненне, що обумовлено їх високими значеннями граничної напруги зсуву і відносною «жорсткістю». У зв'язку з цим бетонні та розчинні суміші марок рухливості Пк 1 і Пк 4 виключили з подальших досліджень. Бетони на основі ПЦ ЦЕМ II/А-П 32,5Н, піску з модулем крупності Мк 3 зі співвідношенням Ц/П = 1:3 і рухливістю суміші Пк 2, сформовані методом пошарової екструзії, мають підвищені показники меж міцності при стисканні (на 19%) та згині (на 32%), менше водопоглинання (на 15%) порівняно з бетонами на основі ПЦ ЦЕМ II/В-П 32,5Н при цьому порівнянних показниках граничної напруги зсуву суміші та середньої щільності зразків, що обумовлено меншим вмістом у першому мікрозернистої мікропористої крем'яної гірської породи (опоки). Найкращі показники за критеріями середньої щільності, меж міцності та водопоглинання були отримані для бетонів, надрукованих на 3D-принтері, на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н, піску з модулем крупності Мк 3 зі співвідношенням Ц/П = 150 1:3 та рухливістю суміші Пк 3. При цьому відомо, що підвищення граничної напруги зсуву суміші призводить до зниження відхилень геометричних параметрів надрукованих зразків [45], що обумовлює раціональність подальшого вивчення сумішей на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н даного складу, гранична напруга зсуву яких на 15% вище порівняно з композитами із співвідношенням Ц/П = 1:2. Бетони, надруковані на 3D-принтері, на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н із співвідношенням Ц/П = 1:3, рухливістю суміші Пк 3 із застосуванням піску з модулем крупності Мк 1,2 і Мк 2,3 мають порівняні фізико-технічні характеристиками. Таким чином, за результатами аналізу ринку виробництва цементів та вивчення закономірностей впливу ПЦ з різним мінералогічним складом, заповнювачів (кварцового піску) з різним модулем крупності, а також співвідношення даних компонентів на реотехнологічні властивості сумішей та фізико-технічні характеристики бетонів та розчинів, сформованих методом шарової екструзії (3D-друку), встановлено наступне: 1. Аналіз ринку виробництва цементів у світі свідчить про відносну його стабільність. Значну частку виробництва в Україні складають ПЦ без мінеральних добавок (60%) і ПЦ з добавками (34%). Доступність цих видів цементів на ринку будівельних матеріалів зумовлює доцільність їх застосування при розробці складів бетонних та розчинних сумішей для 3D- друку. 2. Аналіз мінералогічного складу ПЦ дозволив виявити раціональність застосування в технології адитивного виробництва цементів з високим вмістом мінералів аліту і трикальцієвого алюмінату (нормальнотвердіючі та швидкотвердіючі ПЦ, С3S≥60%), які дозволять забезпечити високі темпи початкового структуроутворення екструзії бетонної суміші у початкові терміни твердіння. 3. Встановлено, що склади на основі ПЦ ЦЕМ II/А-П 32,5Н та ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б, що характеризуються найменшими термінами початку схоплювання серед досліджуваних складів, є найбільш ефективними у технології адитивного виробництва за критерієм швидкості набору пластичної міцності у часі, тому що дозволяють забезпечити друк виробів більшої висоти без технологічних перерв. Однак висока чутливість реотехнологічних властивостей сумішей (гранична напруга зсуву, формованість, формостійкість) до вмісту мінеральних добавок у складі ПЦ ускладнює проектування складів бетонів для 3D-друку на основі ПЦ ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б, ЦЕМ II/А-П 32 ,5Н, ЦЕМ II/В-П 32,5Н та ін. та визначає пріоритетність бездодаткових ПЦ при проведенні подальших досліджень, у тому числі вивченні впливу мінеральних добавок на властивості розчинів та бетонів у 3DCP. 4. За критерієм отримання оптимальних реотехнологічних показників сумішей (гранична напруга зсуву) та високих фізико-технічних властивостей бетонів (середня щільність, межі міцності, водопоглинання) найбільш ефективними в технології адитивного виробництва є склади на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н та кварцового піску модулем крупності Мк 3, марки рухливості Пк 3 за співвідношення Ц/П = 1:3. 5. Для ефективного застосування різних видів ПЦ у 3DCP, у тому числі бездодаткових, необхідно забезпечити можливість спрямованого регулювання реотехнологічних властивостей бетонних та розчинних сумішей на їх основі, що може бути забезпечене модифікацією сумішей активними мінеральними та хімічними добавками, у тому числі комплексними. 2.4. Дослідження вибору пластифікуючих добавок в цементних бетонах, що формуються методом адитивного виробництва. В даний час є численні дослідження, що підтверджують ефективність застосування добавок для бетонів і розчинів [150, 151], серед яких найбільшого поширення набули добавки пластифікуючої дії. Застосування даних модифікаторів дозволяє спрямовано регулювати властивості розчинних і бетонних сумішей, істотно знижуючи їх водопотребу одночасно забезпечуючи необхідну рухливість суміші, що в сукупності позитивно впливає на формування щільності, міцності та інших властивостей затверділих бетонів. У технології будівельної 3D-друку застосування добавок пластифікуючої дії є особливо актуальним у зв'язку з необхідністю регулювання реотехнологічних властивостей суміші, які носять суперечливий характер [107, 122, 151]: з одного боку в процесі перекачування необхідно забезпечувати плинність суміші із збереженням заданої рухливості , з іншого – при пошаровій екструзії важливою властивістю є забезпечення високої швидкості структуроутворення, що дозволяє нарощувати об'єкт за мінімальних кількостей технологічних перерв 3D-друку. До всього іншого відмінними рисами технології адитивного виробництва є застосування дрібнозернистих бетонних сумішей з підвищеним вмістом ПЦ [152, 153], високим В/Ц, що призводить до утворення усадкових тріщин на поверхні надрукованих виробів. Найбільшого поширення у технології 3D-друку серед добавок пластифікуючої дії набули модифікатори на основі лігносульфонатів [152], сульфованих меламіноформальдегідних смол, нафталінсульфонатів та ефіру полікарбоксилатів [153]. Водоредукуючий ефект від застосування даних ПД становить 15-30%, 12-20%, 9-11% і 25% для сульфованих меламіноформальдегідних смол, нафталінсульфонатів, лігносульфонатів та ефіру полікарбоксилатів відповідно [117]. При цьому В/Ц у складах для 3D-друку з ПД становить 0,17-0,43 [152, 153], без них – 0,36-0,5. Варто зазначити, що перелічені добавки в цих роботах досліджені на різних системах у поєднанні з мінеральними та іншими хімічними добавками, що не дозволяє оцінити їх індивідуальний внесок у формування реотехнологічних та фізико-технічних властивостей бетонів. Таким чином, основним у теоретичному та практичному планах питанням модифікування ПД бетонів у технології 3D-друку є встановлення взаємозв'язку між застосовуваними модифікаторами (хімічна основа, концентрація) і формованими властивостями коагуляційної та конденсаційно-кристалізаційної структури – середня щільність, гранична напруга а також середня щільність, межі міцності та водопоглинання бетону. На першому етапі вивчено вплив виду ПД на середню щільність, граничну напругу зсуву та формостійкість бетонних сумішей на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н та піску з модулем крупності Мк 3, марки рухливості суміші ПК 3 (рисунок 4.6). Вибір рухливості суміші Пк 3 (8-9 см) обумовлений кращою формуваністю сумішей порівняно з рухливістю Пк 2, збільшеним часом їх життєздатності, а також можливістю регулювання геометричних характеристик формованих шарів у ширшому діапазоні [108]. Зміст досліджуваних ПД у складі сумішей визначено на основі попередніх експериментальних досліджень за критерієм формуваності. Рис. 2.6 – Вплив виду та змісту ПД на середню щільність, гранична напруга зсуву та формостійкість бетонних сумішей Аналіз даних, наведених на рисунку 2.6 показує, що модифікування цементних сумішей ПД MasterGlenium 115 при її вмісті в кількості 0,5% від маси гранична напруга зсуву на величину до 66,7% при модифікуванні ПД MasterRheobuild 183 при її вмісті в кількості 1% від маси в'яжучого - на величину до 70,4%. До найбільшого зниження граничної напруги зсуву суміші наводить застосування ПД MasterGlenium 591 у кількості 1% від маси ПЦ – на 14,8% порівняно з контрольним складом. Величина формостійкості надрукованих шарів корелює з величиною граничної напруги зсуву сумішей, що зумовлено особливостями впливу ПД на процеси гідратації, що полягають у диспергації частинок в'яжучого при адсорбції молекул хімічних добавок. Так, формостійкість контрольного складу становила 10 см, найменша формостійкість (7 см) відповідає складу МЗБС, модифікованої ПД MasterGlenium 591 у кількості 1% від маси ПЦ, найбільша (17 см) – складам дрібнозернистих бетонних сумішей, модифікованих ПД MasterGlenium 115 та MasterRheobuild 183 при їх вмісті в кількості 0,5% та 1% від маси в'яжучого відповідно. Розглянуті ПД не мають істотного впливу на підвищення середньої щільності бетонних сумішей, при цьому ПД на основі ефіру полікарбоксилату (MasterGlenium 591) у кількості 1% від маси ПЦ та поверхнево-активних натрієвих солей, алкілсульфатів (Поліпласт БФ) у кількості 0,5% від маси ПЦ призводять до незначного зниження середньої щільності бетонних сумішей – на 3,1% та 4,4% відповідно. На другому етапі вивчено вплив виду та змісту досліджуваних ПД на межі міцності МЗБ на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н та піску з модулем крупності Мк 3, марки рухливості суміші ПК 3 (рис. 2.7). Рис. 2.7 – Вплив виду та змісту ПД на середню щільність, межі міцності на стиск та при вигині МЗБ Аналіз даних рисунку 2.7 свідчить про високу ефективність ПД MasterGlenium 430, MasterGlenium 115 при їх вмісті у кількості 0,5% від маси ПЦ MasterPozzolith 55, MasterRheobuild 183, Поліпласт СП-1 при їх вмісті в кількості 1% від маси ПЦ за критерієм підвищення меж міцності при стисканні (на 13,8-57,3%) та меж міцності при згинанні МЗБ (25,0-51,7%). При цьому застосування ПД Поліпласт-БФ при її вмісті в кількості 0,5% від маси в'яжучого призводить до зниження міцності при стисканні та згинанні на 42,7 та 11,7% відповідно. На наступному етапі досліджено вплив виду та вмісту ПД на водопоглинання та середню щільність МЗБ на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н та піску з модулем крупності Мк 3, марки рухливості суміші ПК 3 (рис. 2.8). Рис. 2.8 – Вплив виду та вмісту ПД на середню щільність і водопоглинання МЗБ Аналіз малюнка 4.8 свідчить про те, що ПД, що розглядаються, призводять до зниження водопоглинання МЗБ, за винятком ПД Поліпласт- БФ при її вмісті в кількості 0,5% від маси ПЦ , Застосування якої призводить до підвищення досліджуваного показника на 4,5%, що зіставляється зі зниженням середньої щільності композиту цього складу. Найбільш ефективною ПД за критерієм зниження водопоглинання МЗБ є MasterGlenium 591 при її вмісті в кількості 1% від маси в'яжучого застосування якої призводить до його зменшення на 37,1%. Всі досліджувані ПД, за винятком Поліпласт-БФ, не мають істотного впливу на зміну середньої щільності бетону. Виконані експериментально-теоретичні дослідження застосування ПД у технології будівельного 3D-друку дозволили виявити нераціональність застосування ПД Поліпласт-БФ при її вмісті у кількості 0,5% від маси ПЦ для модифікування реотехнологічних властивостей бетонних сумішей та фізико- технічних властивостей МЗБ у технології адитивного виробництва. Таким чином, встановлені взаємозв'язки між застосовуваними модифікаторами (хімічна основа, концентрація) та формованими властивостями коагуляційної та конденсаційно-кристалізаційної структури – середня щільність, гранична напруга зсуву та формостійкість суміші, а також середня щільність, межі міцності та водопоглинання бетону. Найбільш переважними серед досліджуваних ПД в адитивному будівельному виробництві є добавки на основі ефіру полікарбоксилату [71], лігносульфонату [73], нафталінсульфонат натрію і натрієвих солей поліметиленнафталінсульфокислот, застосування яких дозволяє регулювати показники реотехнологічних властивостей суміші. фізико-технічні властивості МЗБ: межа міцності при стисканні – на 22-50%, 57%, 38% та 14%; при вигині – на 32-42%, 51%, 25% та 32%; водопоглинання – на 6-37%, 30%, 11% та 15% відповідно. Значний інтерес при проведенні подальших досліджень становить розробка та вивчення органо-мінеральних поліфункціональних КД з даними видами ПД для бетонів, що формуються методом адитивного виробництва (3D-друк). РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ОСНОВ УПРАВЛІННЯ СТРУКТУРОЮ І ВЛАСТИВОСТЯМИ ГІПСОЦЕМЕНТНО- ПУЦЦОЛАНОВИХ БЕТОНІВ, ФОРМУЮЧИХ МЕТОДОМ АДДІТИВНО-ГО ВИРОБНИЦТВА (3D-ДРУКУ) 3.1. Дослідження основ вибору гіпсоцементного відношення та вмісту активних мінеральних добавок у складі гіпсоцементно- пуцоланового в'яжучого Гіпсові матеріали та вироби відрізняються високими теплоізоляційними та звукоізоляційними характеристиками, екологічністю та вогнестійкістю. Крім того їх виробництво відрізняється порівняно невисокими енерговитратами, низькими питомими капіталовкладеннями і металоємністю обладнання гіпсових підприємств [154]. Однак широке застосування в будівництві гіпсових матеріалів, виробів і конструкцій обмежується наявністю характерних для них недоліків, таких як низькі показники водостійкості, меж міцності і морозостійкості. Низька водостійкість матеріалів і виробів на основі гіпсового в'яжучого обумовлена високою розчинністю у воді частинок в'яжучого [154], а також внутрішніми напругами, що виникають при адсорбції молекул води поверхнями порожнеч і каверн у структурі матеріалу з утворенням водних плівок, що супроводжується виникненням розклинюючого ефекту. Відомо, що застосування вапна, у тому числі спільно з гідравлічними добавками, дозволяє істотно знизити розчинність гіпсу, що обумовлено наявністю у них загального іона з CaSO4. При цьому підвищення водостійкості матеріалів і виробів на основі гіпсу супроводжується зниженням меж міцності при згинанні та стиску готових виробів, у зв'язку з чим даний спосіб не знайшов широкого поширення. Основним напрямом підвищення фізико-механічних властивостей та екс-плуатаційних показників матеріалів і виробів на основі гіпсу є надання їм властивостей гідравлічних в'яжучих шляхом застосування ПЦ спільно з АМД [154, 155], що обумовлено формуванням водостійких гідратних новоутворень і твердіють у воді композитів при хімічній взаємодії компонентів змішаного в'яжучого. Аналіз наявних літературних даних свідчить про наявність великої кількості досліджень вітчизняних та зарубіжних учених, спрямованих на вирішення питання підвищення експлуатаційних властивостей гіпсових матеріалів та виробів. Так було в дослідженнях Рахімова Р.З. [156] вивчені наукові основи технології ефективних композиційних будівельних матеріалів із застосуванням гіпсових в'яжучих, а також розглянуті питання розвитку теоретичних основ і створення високоякісних, економічних та екологічно чистих гіпсових в'язких і матеріалів. У роботі [156] показана ефективність модифікування гіпсового в'яжучого мінеральним комплексом, що містить розчини гідроксиду кальцію і сірчанокислого алюмінію, що дозволяє спрямовано формувати структуру гіпсової матриці з підвищеними експлуатаційними показниками. У роботі [1556] показана ефективність використання тонкоігольчастих і тонковолокнистих кристалів гідросульфоалюмінату кальцію для забезпечення умов формування самоармованої зміцненої структури гіпсових композицій. Відповідно до вимог ДСТУ Б В.2.7-46:2010 «Будівельні матеріали. Цементи загальнобудівельного призначення. Технічні умови» максимальне вміст гіпсового в'яжучого у складі ПЦ по відношенню до SO3 не повинно перевищувати 3,5%, що в перерахунку становить 6% CaSO4. Дана вимога обумовлена тим, що при більшому вмісті гіпсу у складі ПЦ спостерігається підвищена концентрація CaSO4 в рідкій фазі при порівняно невисокій концентрації CaO, в результаті чого очікується, що перебіг хімічної взаємодії сульфат-іонів SO4-2 з високоосновними гідроалюмінатами, супроводжуючи, що використовується кристалізацією високоосновної форми гідросульфоалюмінату каль-ція, відбуватиметься у цементному камені, що вже сформувався. Виникають при цьому внутрішні напруження, обумовлені збільшенням обсягу гідратних новоутворень, призводять до руйнування структури композиту. У зв'язку з цим для створення стабільних гіпсоцементних систем необхідно забезпечити невисоку концентрацію CaO в рідкій фазі з метою формування низькоосновних гідроалюмінатів кальцію, моносульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію ЗСаО-А12O3-СаSO4- 12H2О, що кристалізується з 12 молекулами внутрішніх напруг у системі, що твердіє, гідросилікоалюмінатів 3CaO-Al2O3-CaSiO3-12H2O, гідрогранат ЗСаО-Al2O3-nSiO2-nН2O та гідросилікатів кальцію групи CSH(B) [290]. При цьому слід зазначити, що ДСТУ Б В.2.7-46:2010 не регламентує значення верхньої межі допустимого вмісту гіпсу в цементі. В роботі [157] показана ефективність широкого спектру АМД різного походження (метакаолін, вулканічні породи, синтетичні силікати, ферросиліцій, опалові осадові породи, біокремнезем, доменні шлаки, крем'яні осадові гірські породи, діатоміт) для ГЦПВ, що забезпечують зниження концентрації і гідроксидів кальцію в рідкій фазі, що вступають в реакцію з активним кремнеземом SiO2 мінеральних добавок, що зумовлює формування в структурі композиту гідросилікатів кальцію групи CSH (B) і підвищення фізико-механічних властивостей матеріалів і виробів на основі композиційного в'яжучого. У роботах [87, 89, 93] вивчені фізико-технічні та експлуатаційні властивості матеріалів та виробів на основі ГЦПВ з різним співвідношенням та видом компонентів у складі в'яжучого. Так, у роботі [115] розглянуті ГЦПВ з урахуванням гіпсу марки Г10 за змісту компонентів в'яжучого: гіпс – 65%, ПЦ – 23%, АМД – 12%. Показано, що залежно від виду та гідравлічної активності АМД (280-370 мг/г) коефіцієнт розм'якшення зразків на основі даного виду в'яжучого становить 0,55-0,8. У роботі [116] встановлено, що введення до складу ГЦПВ тонкопористих опалових осадових порід замість гіпсу марки Г10 у кількості 10-30% при постійному вмісті ПЦ дозволяє збільшити водостійкість ГЦПК до 0,64-0,8. Пружнопластичні та міцнісні властивості матеріалів та виробів на основі ГЦПВ із застосуванням високоміцного α-гіпсу можна порівняти з виробами на основі ПЦ рівних за міцністю марок. Так у роботі [117] встановлено ефективність застосування широкого спектра природних і техногенних тонкомолотих добавок для гіпсового в'яжучого високих марок, що виявляється у збільшенні меж міцності гіпсового каменю. При цьому можна очікувати, що застосування у вищевказаних композиціях низькомаркового гіпсу Г6 не дозволить отримати матеріали та вироби з високими фізико-технічними та експлуатаційними показниками. Так у роботі [118] водостійкість виробів на основі ГЦПВ із застосуванням гіпсового в'яжучого марки Г6 становить 0,4-0,7, виробів на основі гіпсоцементноцеолітового в'яжучого - 0,46-0,59. У роботі [119] розроблені водостійкі вироби на основі модифікованого комплексної пластифікуючої добавкою ГЦПВ (коефіцієнт розм'якшення 0,82-0,89), отримані з застосуванням в якості пуццоланового компонента подрібненої породи цеолітвмісної мергеля, при температурі 600 ºС. Однак підвищений коефіцієнт розм'якшення виробів на основі гіпсоцементноцеолітових композицій досягається за рахунок високого вмісту ПЦ, що становить не менше 34% від маси в'яжучого [119]. Відомо, що показники повзучості матеріалів і виробів на основі гіпсового в'яжучого у вологому та водонасиченому станах мають високі значення. При цьому матеріали і вироби на основі ГЦПВ при вмісті ПЦ в кількості 20-25% від маси в'яжучого володіють показниками повзучості, порівнянними з виробами на ПЦ, що дозволяє визначити мінімальний вміст ПЦ в композиціях, що розробляються, рівне 20%, яке прийнято для подальших експериментальних досліджень. Однією з найважливіших завдань при розробці гіпсоцементних композицій є забезпечення умов для формування стійких структур при спільних гідратації та твердінні гіпсового та цементного в'яжучих. Таким чином, можна зробити висновок, що одним з найважливіших завдань при розробці стабільних ГЦП систем є спрямоване регулювання процесів взаємодії сульфатної та алюмінатної кристалізаційних структур при протіканні процесів гідратації ГЦПВ, що надають найважливіший вплив на формування структури та властивостей ГЦПК. Ефективність АМД в ГЦП системах характеризується її гідравлічною активністю, що зумовлює їх здатність вступати в хімічну взаємодію з Ca(OH)2, знижувати його концентрацію в системі, що твердіє, і забезпечувати гідравлічне твердіння ГЦПВ. Необхідний вміст АМД у складі змішаного в'яжучого залежатиме від її гідравлічної активності, що становить інтерес для експериментальних досліджень, виконаних на наступному етапі. Залежно концентрації CaO у водних суспензіях напівводного гіпсу, ПЦ і АМД на 5 і 7 добу від кількості мінеральної добавки наведено таблицях 3.1 і 3.2 відповідно. Таблиця 3.1 - Залежність концентрації CaO у водних суспензіях напівводного гіпсу, ПЦ та мінеральної добавки на 5 добу від кількості АМД Кіл-ть лугів Концентрація CaO в Вид АМД Кіл-ть АМД, г НС1, мл водних суспензіях 1,25 11,9 1,33 Алюмосилікат 2,5 9 1,01 3,75 7,3 0,82 1,25 11 1,23 Біокремнезьом 2,5 9,4 1,05 3,75 8,9 0,99 1,25 9,7 1,09 Діатоміт 2,5 8,85 0,99 3,75 8,2 0,92 1,25 11,35 1,37 Домений шлак 2,5 11,05 1,32 3,75 10,8 1,24 1,25 11,85 1,33 Каолін 2,5 10,1 1,13 3,75 9,15 1,03 0,25 7,8 0,87 0,75 6,6 0,74 Метакаолін 1,25 2,4 0,27 2,5 0,4 0,045 3,75 0,25 0,028 0,25 6,9 0,77 0,75 6,3 0,71 Активований 1,25 5,75 0,64 метакаолін 2,5 0,75 0,08 3,75 0,5 0,06 1,25 10,2 1,14 Трепел 2,5 8,9 0,99 3,75 7,3 0,82 0,25 8,1 0,91 0,75 6,4 0,72 Ферросиліцій 1,25 5,6 0,63 2,5 2,7 0,3 3,75 0,7 0,08 Таблиця 3.2 - Залежність концентрації CaO у водних суспензіях напівводного гіпсу, ПЦ та мінеральної добавки на 7 добу від кількості АМД Кіл-ть лугів Концентрація CaO в Вид АМД Кіл-ть АМД, г НС1, мл водних суспензіях 1,25 10,4 1,17 Алюмосилікат 2,5 8,7 0,97 3,75 6,75 0,76 1,25 8,90 1,00 Біокремнезьом 2,50 6,10 0,68 3,75 2,30 0,26 1,25 9,35 1,05 Діатоміт 2,50 7,60 0,85 3,75 5,80 0,65 1,25 12,25 1,27 Домений шлак 2,50 11,80 1,24 3,75 11,10 1,21 1,25 10,00 1,12 Каолін 2,50 8,80 0,99 3,75 8,40 0,94 0,25 7,10 0,80 0,75 1,80 0,20 Метакаолін 1,25 0,25 0,03 2,50 0,20 0,02 3,75 0,20 0,02 0,25 6,00 0,67 0,75 5,10 0,57 Активований 1,25 3,55 0,40 метакаолін 2,50 0,50 0,06 3,75 0,30 0,03 1,25 9,70 1,09 Трепел 2,50 6,50 0,73 3,75 2,90 0,32 0,25 7,90 0,89 0,75 6,10 0,68 Ферросиліцій 1,25 4,70 0,53 2,50 0,60 0,07 3,75 0,60 0,07 Необхідний вміст АМД у складі ГЦПВ, визначений за результатами експериментальних досліджень, наведено на рис 3.1. вміст даних добавок у складі ГЦПВ, що забезпечує умови формування стійких структур, не встановлено . Разом з тим отримані дані свідчать про те, що необхідний вміст даних АМД буде не менше 140% від маси ПЦ, що призведе до зниження фізико-технічних характеристик досліджуваних композицій внаслідок ефекту розведення в'яжучого, у зв'язку з чим вони виключені з подальших досліджень Аналіз експериментальних даних, наведених у таблицях 3.1, 3.2, на рис 3.1, дозволив встановити, що найбільш ефективними АМД за критерієм поглинання оксиду кальцію з водних ГЦП суспензій є метакаолін, активований метакаолін і феросиліцій, що обумовлено склад суміші – 20% від маси ПЦ. На наступному етапі визначено вплив найбільш ефективних АМД з числа досліджуваних на терміни схоплювання ГЦП суміші (рис. 3.2) та межі міцності при згинанні та стисненні ГЦПК (рис. 3.3). Рис. 3.2 – Вплив досліджуваних АМД на термін схоплювання ГЦПВ Рис. 3.3 – Вплив досліджуваних АМД на межі міцності при згинанні та стисканні ГЦП композицій Виконані експериментальні дослідження дозволили встановити, що аналізовані АМД не мають істотного впливу на терміни схоплювання та нормальну густоту суміші. свідчить про те, що досліджувані АМД дозволяють значно підвищити межі міцності при згинанні і стисканні ГЦПК Так при використанні в якості АМД феросиліція межі міцності при згинанні і збільшуються на 15% і 9%; на 48% і 49%; відповідно. Крім того, встановлено, що досліджувані АМД дозволяють. підвищити водостійкість ГЦПК, оцінену за коефіцієнтом розм'якшення, на 7-19% Слід зазначити, що найкращі показники за критерієм підвищення меж міцності при згині та стиску отримані при використанні в якості АМД активованого метакаоліну, проте витрати на його виробництво. , пов'язані з активацією метакаоліну в розчині органічних кислот, зумовлюють недоцільність його застосування як пуцоланового компонента ГЦПВ [101,107] У зв'язку з цим як пуцолановий компонент для ГЦП композицій у подальших дослідженнях був прийнятий метакаолін. Таким чином, показано, що одним з найважливіших завдань при розробці стабільних ГЦП систем є спрямоване регулювання процесів взаємодії сульфатної та алюмінієвої кристалізаційних структур при протіканні процесів гідратації ГЦПВ, що надають найважливіший вплив на формування структури та властивостей ГЦПК. Теоретично обгрунтовано та експериментально визначено співвідношення компонентів у складі ГЦПВ для МЗБ у технології адитивного виробництва, що забезпечує формування композитів зі стійкими та стабільними структурою та фізико-технічними характеристиками: гіпс – 76%; ПЦ – 20%; АМД (метакаолін) – 4%. 3.2. Технологічне рішення щодо збільшення тривалості перерв у процесі 3D-друку із забезпеченням високої адгезії перехідного та базового шарів Технічним результатом розроблюваного рішення є можливість здійснення технологічних перерв тривалістю до 12 год без утворення в конструкції холодних швів і істотного зниження величини адгезії друкованих шарів, укладених безпосередньо до і після технологічної перерви, за рахунок пристрою перехідного шару з модифікованих дрібнозернистих бетонних сумішей з уповільненою , що зумовлює високе якість будівельної продукції [83, 126]. Пристрій перехідного шару проводиться наступним чином: після друку останнього шару базового складу бетону перед запланованою технологічною перервою бункер 3D-принтера промивається. Одночасно з цим проводиться приготування необхідної кількості дрібнозернистої бетонної суміші перехідного шару, її подальше завантаження в промитий бункер і безпосередньо друк. Дослідження виконані з використанням дрібнозернистих бетонних сумішей на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н, кварцового піску з модулями крупності Мк 3 при співвідношенні Ц/П = 1/3, марки рухливості Пк-3. Базовий склад дрібнозернистого бетону модифікували поліфункціональною комплексною добавкою КД4, склад перехідного шару – поліфункціональними комплексними добавками КД1-П, КД2-П, КД3-П, КД4-П залежно від тривалості технологічної перерви 3 год, 6 год, 9 год , 12 год відповідно до таблиці 3.5. Результати досліджень наведено рис. 3.4. Рис. 3.4 - Залежність міцності зчеплення шарів МЗБ базового складу з перехідним шаром від тривалості твердіння зразків та виду поліфункціональної КД-П Аналіз даних, наведених на рисунку 3.3-3.4, свідчить про те, що пристрій перехідного шару з модифікованих розробленими поліфункціональними добавками КД1 КД4-П дрібнозернистих бетонних сумішей дозволяє забезпечити високі показники адгезії шарів при тривалих технологічних перервах. Так при тривалості технологічних перерв 3 год. і 6 год. перехідними шарами, модифікованими КД1-П та КД2-П, практично не знижується і дорівнює 1,31 МПа та 1,3 МПа відповідно, що становить 98,5% та 97,7% когезійної міцності зчеплення шарів МЗБ базового складу, надрукованого без перерв . При цьому вищезазначені значення міцності зчеплення на 3,2% та 15% відповідно вище, ніж у зразках без перехідного шару за аналогічних тривалостей технологічної перерви. У раніше виконаних дослідженнях встановлено, що зниження величини адгезії надрукованих шарів МЗБ базового складу, модифікованого КД4, становить 41,3% та 72,9% при тривалості технологічних перерв 9 год. та 12 год. відповідно, що призводить до утворення в конструкції холодних швів. перехідного шару з МЗБ, модифікованого КД3-П та КД4-П дозволяє істотно збільшити адгезію шарів при аналогічних значеннях перерв. МПа (рисунок 3.4), що становить 94,7% та 91% відповідно до когезійної міцності зчеплення шарів МЗБ базового складу, надрукованого без перерв. Таким чином, встановлено, що пристрій перехідного шару, модифікованого розробленими комплексними поліфункціональними добавками КД1-П - КД4-П, при незначному зниженні міцності адгезії шарів (1,5-9%) дозволяє здійснювати тривалі технологічні перерві в інтервалі 3-12 год. На наступному етапі розроблено принципову технологічну схему адитивного виробництва будівельної продукції з модифікованого МЗБ методом пошарової екструзії зі збільшеною тривалістю технологічної перерви (рис. 3.5) [126]. 3.3. Удосконалення технології адитивного будівельного виробництва регулюванням тривалості перерв у процесі 3D-друку Практичний досвід адитивного будівельного виробництва методом пошарової екструзії (3D-друку) із застосуванням як перехідного шару МЗБС із збільшеною тривалістю технологічної перерви дозволив виявити недолік, що полягає у уповільненій швидкості твердіння перехідного шару. У випадках виробничої необхідності скорочення тривалості раніше запланованої технологічної перерви тривалі терміни схоплювання перехідного шару ускладнюють процес нарощування шарів після перерви через наявність «слабкої ланки» у незатверділому шаруватому композиті. Відомо, що інтенсифікація процесів затвердіння бетонних сумішей можлива за рахунок збільшення температури їх затвердіння. У цьому зв'язку для вирішення вищевказаної проблеми нами пропонується спосіб удосконалення технології адитивного будівельного виробництва з модифікованих МЗБС методом пошарової екструзії з пристроєм перехідного шару зі збільшеною тривалістю технологічної перерви, що полягає в прискоренні процесів структуроутворення і твердіння шарів за рахунок впливу на них електричного поля при пропуску струму (електродний прогрів). Прогрівання необхідно здійснювати до досягнення МЗБС критичної пластичної міцності. Як критична пластична міцність у роботі прийнято значення пластичної міцності суміші, при досягненні якої забезпечується її здатність витримувати вагу вищележачих шарів без деформацій. За результатами раніше виконаних досліджень встановлено, що критична міцність для МЗБС, що розглядаються, становить 3000 кПа. Запропоноване технологічне рішення дозволить керувати кінетикою структуроутворення та твердіння надрукованих бетонних шарів та регулювати тривалість технологічної перерви у широкому часовому інтервалі. Слід зазначити, що при необхідності здійснення прогріву електродного перехідного шару електроди необхідно встановлювати до його екструзії поверх попереднього шару. На першому етапі вивчено вплив електродного прогріву на середню швидкість набору пластичної міцності МЗБС перехідного шару на основі ПЦ ЦЕМ I 42,5Н, піску з модулем крупності Мк 3 при Ц/П = 1/3, марки рухливості Пк-3, модифікованих розробленими поліфункціональними КД1-П - КД4-П. Середню швидкість набору пластичної міцності бетону визначали по відношенню до критичної міцності (3000 кПа) до тривалості її набору з початку впливу електричного поля (таблиця 3.4). Таблиця 3.4 Середня швидкість набору пластичної міцності МЗБС перехідного шару, модифікованих розробленими поліфункціональними комплексними добавками КД1-П – КД4-П № до- Зміст, % від Вид добавки бавки маси в'яжучого Метакаолін 10 Діатоміт 10 КД1-П 10,8 58,7 MasterRheobuild 183 1 ГКЖ-11Н 0,1 Метакаолін Діатоміт 10 КД2-П 8,7 54,5 MasterRheobuild 183 10 1 ГКЖ-11Н 0,2 Метакаолін 10 Діатоміт 10 КД3-П 7,2 51,9 MasterRheobuild 183 1 ГКЖ-11Н 0,3 Метакаолін Діатоміт 10 КД4-П 6,7 49,1 MasterRheobuild 183 10 1 ГКЖ-11Н 0,4 Середня швидкість набору пластичної міцності бетонної суміші перехідного шару без електродного прогріву, кПа/хв. Середня швидкість набору пластичної міцності бетонної суміші перехідного шару при електродному прогріві, кПа/хв. Аналіз експериментальних даних, наведених у таблиці 3.4 , дозволив встановити, що електродний прогрів МЗБС перехідного шару, модифікованого досліджуваними КД-П, істотно впливає на темпи набору його пластичної міцності. Так середня швидкість набору пластичної міцності бетонної суміші перехідного шару, модифікованого розробленими поліфункціональними КД1-П – КД4-П, при електродному прогріві становить 58,7 кПа/хв, 54,5 кПа/хв, 51,9 кПа/хв і 49,1 кПа/хв, що у 5,4, 6,3, 7,2 та 7,3 рази відповідно вище порівняно з складами МЗБ, що твердіють без електродного прогріву. Отримані результати свідчать про ефективність запропонованого технологічного рішення адитивного виробництва за критерієм регулювання тривалості технологічної перерви у широкому часовому інтервалі. На наступному етапі вивчено вплив електродного прогріву на величину адгезії шарів базового складу та перехідного шару. Результати досліджень наведено рис. 3.5. Рис. 3.5 – Вплив електродного прогріву на міцність зчеплення шарів МЗБ базового складу з перехідним шаром при різних тривалостях технологічної перерви та виду поліфункціональної КД-П. зчеплення шарів на величину до 17%. Принципова технологічна схема розроблюваного технологічного рішення адитивного виробництва будівельної продукції наведено рис. 3.6. Таким чином, розроблено технологічне рішення в адитивному будівельному виробництві, яке здійснюється за розробленою принциповою схемою (рисунок 3.6) і засноване на прискоренні процесів структуроутворення і твердіння перехідного шару за рахунок впливу на нього електричного поля при пропусканні через нього струму (електродний прогрів), що дозволяє регулювати технологічної перерви у широкому часовому інтервалі при забезпеченні високих показників адгезії перехідного та базового шарів та, відповідно, якості готової будівельної продукції [126]. Схеми організації 3D-друку малої архітектурної форми у вигляді С- подібної лави та одноповерхового житлового будинку із застосуванням розроблених технологічних рішень наведено в 4 розділі роботи. Рис.3.6 Оптимізація 3D -друкe малої архітектурної форми З образна лава Рис.3.7. Організація друку 3D каркасу будинку 3.4. Техніко-економічна ефективність виробів на основі розробленого технологічного рішення Для оцінки техніко-економічної ефективності адитивного виробництва будівельної продукції з розроблених модифікованих МЗБС базового складу методом пошарової екструзії (3D-друку) виконано друк лавок С-подібних та S-подібних форм для благоустрою міських просторів, виконано розрахунок витрат на випуск 1 м3 вироби з урахуванням тарифів, прийнятих в Україні на 2023 рік (таблиці 3.5, 3.6) і виконано порівняння вартості виробу з існуючими аналогами, виготовленими різними способами формування (таблиця 3.7). Таблиця 3.5 - Калькуляція вартості виробництва 1 м3 виробу (лавка С- подібної форми) з розробленої модифікованої МЗБС базового складу (модифікованої КД2) методом пошарової екструзії Разом, № Вартість за Найменування статей витрат Од. вим. п/п од., грн. грн. 1 Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н т 11534,59 4117,85 Пісок для будівельних робіт, модуль 2 крупно¬ т 754,84 754,84 сті Мк = 3 3 Діатоміт т 10500,00 374,85 Пластифікуюча добавка на основі ефірів 4 полікарбоксилатів «MasterGlenium 115» т 183000,00 653,31 Гідрофобізуюча добавка на основі 5 т 17000,00 6,07 поліфенілетоксисилоксану «ФЕС-50» Напрямні та настил з деревини 6 50x50x1000 мм м 136,80 9771,35 7 Комплект кріпильних виробів шт 597,90 5338,05 Будівельний 3D-принтер (продуктивність - 0,6 куб.м. / год екс плуатаційний ресурс - 60 8 шт 1672000,00 45,81 000 ч п потужність, що відбивається - 2,5 кВт) 9 Амортизація 3D-принтера шт 1672000,00 45,81 Витрати на утримання та ремонт 10 грн. 836000,00 22,91 обладнання (50% від п.9) Електроенергія 11 кВт*год 8,23 1,98 Холодна вода 12 м3 32,15 6,59 Водовідведення 13 м3 27,43 5,62 Вартість оренди приміщення до 200 м 14 грн. 45000,00 450,00 Заробітна плата виробничих робітників: 15 грн./міс Оператор-технолог — 1 чол. 17000,00 660,00 Різноробочий — 2 чол. (по 15 000 грн/мес) 30000,00 660,00 Страхові внески (30,2% от п .15) 16 грн. 398,64 Разом заводська собівартість грн. 23313,69 Інші витрати (10% від заводської 17 грн. 2331,37 собівартості) Разом повна собівартість грн. 25645,06 Рівень планової рентабельності (30% 18 грн. 7693,52 повної собівартості) Оптова ціна без ПДВ грн. 33338,57 ПДВ (20%) 19 грн. 6667,71 Відпускна ціна з ПДВ грн. 40006,29 Таблиця 3.6 - Калькуляція вартості виробництва 1 м3 (лавка S-подібної форми) з розробленої модифікованої МЗБС базового складу (модифікованої КД4) методом пошарової екструзії № Разом, Вартість за п/п Найменування статей витрат Од. вим. од., грн. грн. 1 Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н т 11534,59 4117,85 Пісок для будівельних робіт, модуль 2 крупно¬ т 754,84 754,84 сті Мк = 3 3 Діатоміт т 10500,00 374,85 4 Метакаолін т 62330,00 2225,18 Пластифікуюча добавка на основі ефірів 5 полікарбоксилатів «MasterGlenium 115» т 61152,00 218,31 Гідрофобізуюча добавка на основі т 284000,00 101,39 6 поліфенілетоксисилоксану «ФЕС-50» Напрямні та настил з деревини 7 50x50x1000 мм м 136,80 9771,35 Комплект кріпильних виробів 8 шт 597,90 5338,05 Будівельний 3D-принтер (продуктивність - 0,6 куб.м. / год екс плуатаційний ресурс - 9 шт 1672000,00 45,81 60 000 ч п потужність, що відбивається - 2,5 кВт) Амортизація 3D-принтера 10 шт 1672000,00 45,81 Витрати на утримання та ремонт 11 обладнання (50% від п.9) грн. 836000,00 22,91 Електроенергія 12 кВт*год 8,23 1,98 Холодна вода 13 3 м 32,15 6,59 Водовідведення 14 3 м 27,43 5,62 Вартість оренди приміщення до 200 м 15 грн. 45000,00 450,00 Заробітна плата виробничих робітників: 16 грн./міс Оператор-технолог — 1 чол. 60000,00 660,00 Різноробочий — 2 чол. (по 15 000 грн/мес) 60000,00 660,00 Страхові внески (30,2% от п .15) 17 грн. 398,64 Разом заводська собівартість грн. 25199,19 Інші витрати (10% від заводської 18 собівартості) грн. 2519,92 Разом повна собівартість грн. 27719,11 Рівень планової рентабельності (30% 19 повної собівартості) грн. 8315,73 Оптова ціна без ПДВ грн. 36034,84 ПДВ (20%) 20 грн. 7206,97 Відпускна ціна з ПДВ грн. 43241,81 Для порівняння вартості 1 м3 виробу на прикладі ослонів С-подібних та S-подібних форм для благоустрою міських просторів з розроблених модифікованих МЗБС методом адитивного виробництва виконано пошук найближчих аналогів, які виробляють різні способи формування, в т.ч. методом 3D-друку у м. Києві. Результати порівняння вартості виробництва 1 м3 вуличних бетонних лав, виготовлених різними способами формування, наведено у таблиці 3.7. Таблиця 3.7 - Порівняння вартості виробництва 1 м3 вуличних бетонних лавок, виготовлених різними способами формування Вартість 1 Спосіб 3 Фотоілюстрація виробу м виробу, Вартість виготовлення грн виробу, грн. 3D-друк методом пошарової 40006,29 4479,86 екструзії 3D-друк методом пошарової 43241,81 3368,З9 екструзії 3D-друк методом пошарової 70474,95 10571,24 екструзії Формування з використанням 464З9,75 3000 опалубних систем Формування з використанням 63750 12750 опалубних систем Таким чином, виконана оцінка техніко-економічної ефективності виробництва будівельної продукції у вигляді ослонів С-подібних та S- подібних форм для благоустрою міських просторів з розроблених модифікованих МЗБС методом адитивного виробництва дозволила встановити, що середня відпускна ціна за 1 м3 виробу (41624,05 грн .) на 40% нижче в порівнянні з представленим на ринку аналогом, виробленим способом 3D-друку, і на 10% і 34% нижче в порівнянні з виробами, що формуються з використанням опалубних систем. У вартісному вираженні виготовлені лавки з розроблених МЗБС дешевші за аналог, виготовлений методом 3D-друку, на 6091,38 і 7202,85 гривень. Це свідчить про високу економічну ефективність розробленого технологічного рішення, зумовлену зниженням матеріаломісткості, відсутністю необхідності застосування матеріально-технічних та трудових ресурсів, що використовуються при складанні та розбиранні опалубки у разі формування виробів з використанням опалубних систем . 3.5. Визначення критеріїв оптимізації, їх зв'язок з реотехнологічними властивостями та напружено-деформованим станом суміші Одна з основних проблем формування композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих методом адитивного виробництва (3D-друку) полягає в наявності деформацій нижчележачих шарів під впливом верхніх при їх друку, що призводить до геометричних відхилень затверділого композиту та зниження якості готових виробів та конструкцій. Це обумовлено в'язкістю суміші, яка характеризується внутрішнім тертям дисперсної системи, що перешкоджає переміщенню однієї фази щодо іншої. При додатку зовнішніх сил на свіжоукладений шар зв'язку між твердими частинками суміші слабшають, руйнується її початкова структура і починає деформуватися шар. Насправді це викликає необхідність розв'язання завдань з оптимізації низки технологічних параметрів (факторів) пошарової екструзії, які найкраще відповідають вимогам та особливостям цієї технології виробництва будівельної продукції. Безумовно, для вирішення подібних завдань необхідне розуміння взаємозв'язку між складами сировинних сумішей для 3D-друку (бетонних та розчинних сумішей), їх реотехнологічними властивостями, а також технологічними параметрами адитивного виробництва. При оптимізації процесу 3D-друку необхідно враховувати дві основні умови: - матеріал повинен твердіти досить швидко, щоб витримувати без деформацій вага надрукованих вище шарів - зі збільшенням часового проміжку між друком двох суміжних шарів відбувається зменшення сили зчеплення між ними. Облік цих умов призводить до феномену оптимізації швидкості друку. Тимчасовий інтервал між двома надрукованими шарами повинен бути достатнім, щоб забезпечити необхідну несучу здатність шару нижче, і в той же час бути мінімальним для забезпечення адгезії між ними і скорочення часу друку. Таким чином, швидкість 3D-друку, характеризується кількістю шарів, які суміш здатна витримати при її деформаціях в межах нормативних значень від дії вищележачих шарів, що є основним критерієм оптимізації. Разом з тим, аналіз нормативної документації свідчить про відсутність стандартів, що встановлюють вимоги до підбору, призначення, виготовлення, зберігання, транспортування та укладання сировинних сумішей, що ускладнює розрахунок деформацій шарів у процесі 3D-друку . У зв'язку з цим дуже актуальним представляється вирішення питань, спрямованих на забезпечення можливості прогнозування деформацій сировинних сумішей в процесі 3D-друку для отримання конструкцій з геометричними відхиленнями, в межах значень, встановлених нормативними документами. -чатанного шару, як найбільш деформованого, від кількості покладених на нього шарів складає завдання дослідження. Це дозволить оптимізувати технологічний процес 3D-друку, регулювати швидкість друку, кількість друкованих шарів та ін. Для визначення залежностей деформацій одержуваних виробів і конструкцій від складу і властивостей вихідних сировинних сумішей проведені експериментальні дослідження напружено-деформованого стану свіжонадрукованих шарів на 3D-принтері. Здатність надрукованих шарів нести свою власну вагу залежить від їхньої межі плинності [158, 159]. Сторони, суміш повинна бути досить рухомою для забезпечення можливості її перекачування та екструдування [158]. Таким чином, для друку найбільшої кількості шарів без технологічних перерв необхідно забезпечити достатню текучість суміші в процесі екструзії та її стабільність після друку шарів. [72, 158, 159] межа плинності матеріалів на Основу цементу в стані спокою з часом збільшується. В роботі [486] показана можливість зниження тривалості деформування та підвищення формостійкості сировинної суміші, що застосовується для будівельного 3D-друку, за рахунок прискорення процесів гідратації цементу шляхом модифікування добавками-прискорювачами твердіння. Однак у математичних залежностях, що описують напружено- деформований стан сировинної суміші, з метою подальшого прогнозування її геометричних відхилень важливо знати величину в'язкості суміші. Поняття в'язкості можна розглядати, як опір, пов'язаний з ве-личиною тертя зерен заповнювача. ковзання між твердими частинками, що погіршує умови тертя, що знижує в'язкість суміші [115]. В'язкість може бути виражена у вигляді коефіцієнта пропорциональности між напругою зсуву і швидкістю деформації. Крім того необхідно враховувати вплив різних етапів 3D-друку (приготування сировинної суміші, її перекачування і безпосередньо екструзія) на реотехнологічні властивості суміші та фізико-технічні властивості дрібнозернистого бетону [156]. Одним із ефективних способів регулювання в'язкості сировинної суміші для 3D-друку є її модифікування мінеральними та хімічними добавками, а також дисперсне армування. У роботах [112, 114] викладено вплив волокон на реотехнологічні властивості сировинних сумішей, а також показники міцності одержуваних конструкцій. Для збільшення в'язкості сумішей за допомогою їх дисперсного армування необхідно підібрати параметри фібри таким чином, щоб збільшити внутрішнє тертя в сировинній суміші. Аналіз даних, наведених у роботі [118], свідчить про збільшення в'язкості суміші, тобто підвищення опору зсуву шарів один від одного, при введенні фібри довжиною 12 мм і 36 мм, що, на нашу думку, створює умови для кращого збереження геометричних параметрів друкуваної конструкції та становить інтерес при виконанні подальших досліджень. Технологічні параметри 3D-друку є характеристиками, що залежать від параметрів обладнання та технологічної послідовності друку, на які, безумовно, впливають властивості сировинних сумішей. При відповідній зміні цих параметрів можливо досягти як оптимізації процесу друку в цілому, так і підвищення якості виробів і конструкцій. До основних технологічних параметрів будівельного 3D-друку слід віднести: швидкість друку одиничного шару (швидкість екструзії, швидкість переміщення сопла); - Діаметр сопла; - геометричні параметри шарів (ширина, висота, форма перерізу); - наявність та тривалість технологічних перерв під час друку. Швидкість друку одиничного шару залежить від виду принтера, конструкції його механізму, що подає, і продуктивності, від параметрів друку, закладених у G-code моделі, і властивостей суміші. На швидкість друку істотно впливає рухливість (плинність) застосовуваних сумішей. Геометричні параметри шарів залежать від діаметра подавального механізму принтера (сопла та ін), при цьому зі зменшенням діаметра зростає точність друку і зменшується кількість пір і порожнин в шарі, що друкується. Наявність та величина технологічних перерв залежать від висоти друкуваної конструкції, її стійкості в процесі друку, зчеплення шарів між собою та величин геометричних відхилень нижчележачих шарів. З вищесказаного слід, що контролювати та оптимізувати процес 3D- друку конструкцій можливо не тільки за рахунок зміни технологічних параметрів екструзії, але й за рахунок регулювання реотехнологічних властивостей сировинної суміші. Висновки по розділу 3 1. Аналіз практичного досвіду адитивного будівельного виробництва дозволив виявити проблему зчеплення шарів при тривалих технологічних перервах, що свідчить про актуальність досліджень щодо підвищення їхньої адгезійної взаємодії. Встановлено найбільш раціональний напрямок підвищення адгезії шарів при тривалих технологічних перервах, що полягає в регулюванні рецептурних факторів приготування сировинних сумішей для 3D-друку та технологічних факторів адитивного виробництва. 2. Дослідження впливу рецептурних та технологічних факторів на адгезію шарів у технології адитивного будівельного виробництва дозволило визначити, що найбільш раціональним напрямком удосконалення технології адитивного виробництва в галузі збільшення адгезійної взаємодії формованих шарів є регулювання рецептурних факторів приготування сировинних сумішей, які істотно впливають на зміну характеру процесів гідратації та структуроутворення у часі. 3. Обґрунтовано технологічне рішення в адитивному будівельному виробництві, засноване на влаштуванні перехідного шару з модифікованих поліфункціональними комплексними добавками МЗБС, покладеними до технологічної перерви, що дозволяє спрямовано регулювати його тривалість у широкому часовому інтервалі (до 12 год) при забезпеченні високої якості готової будівельної продукції. 4. Обґрунтовано технологічне рішення в адитивному будівельному виробництві, засноване на прискоренні процесів структуроутворення та твердіння перехідного шару (у 5,4-7,3 рази) за рахунок впливу на нього електричного поля при пропусканні через нього струму (електродне прогрівання), що дозволить регулювати тривалість технологічної перерви у широкому часовому інтервалі при забезпеченні високих показників адгезії перехідного та базового шарів та, відповідно, якості готової будівельної продукції. 5. Аналіз техніко-економічної ефективності розроблених МЗБС та технологічного рішення адитивного будівельного виробництва свідчить про зниження середньої відпускної ціни за 1 м3 виробів у вигляді малих архітектурних форм (лавки) на 40% порівняно з представленим на ринку аналогом, що виробляється способом 3D-друку, і на 10% та 34% порівняно з виробами, що формуються з використанням опалубних систем. РОЗДІЛ 4. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РЕГЛАМЕНТ ВИКОНАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ АДАПТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА 3D ДРУКУ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД МЕТОДОМ ПОШАРОВОЇ ЕКСТРУЗІЇ ЗА РАХУНОК МОДИФІКАЦІЇ СКЛАДУ БЕТОННИХ СУМІШЕЙ 4.1. Практичні рекомендації щодо оптимізації технологічних параметрів будівельного 3D-друку Для різних виробів і конструкцій, що відрізняються формою і геометричними розмірами, а також складів сумішей, що застосовуються в технології аддитивного виробництва, необхідна оптимізація різних параметрів процесу 3D-друку. Однак за результатами виконаних аналізу літературних джерел та експериментальних досліджень можна визначити наступні рекомендації для сировинної суміші із співвідношенням Ц/П = 1:3: 1. Для невеликих за протяжністю та висотою конструкцій можливе застосування менш рухомих складів, що обумовлено меншою ймовірністю втрати стійкості конструкції у процесі 3D-друку. При цьому рухливість сумішей може досягати мінімально можливих значень, при яких забезпечується її екструдованість через сопло принтера. З проведених досліджень можна дійти невтішного висновку, що з вищевказаних конструкцій доцільно використовувати дрібнозернисті бетонні суміші зі значенням в'язкості близьким до 12,4 Па*с при марці по рухливості Пк 2 (занурення еталонного конуса 4,5 див). Це знизить необхідність запровадження технологічних перерв у процесі 3D-друку та збільшить її швидкість. 2. Для великих по протяжності конструкцій з метою зниження їх пористості доцільно використання дрібнозернистих бетонних сумішей більшої рухливості. При цьому виникає необхідність введення технологічних перерв у процесі 3D-друку. Так при рухливості суміші Пк 3 і глибині занурення еталонного конуса близької до 9,1 см технологічна перерва необхідна через кожні 3 шари; при рухливості суміші Пк 3 та глибині занурення еталонного конуса близької до 8,7 см – через кожні 4 шари; при рухомості суміші Пк 3 і глибині занурення еталонного конуса близької до 7,9 см - через кожні 8 шарів. При цьому використання сумішей, що характеризуються величиною занурення еталонного конуса більше 9,1 см і в'язкістю менше 0,21 Па * с, є недоцільним через велику деформативність шарів і необхідність введення тривалих технологічних перерв у процесі 3D- друку. 3. Для підвищення стійкості екструдованих конструкцій необхідно при можливості здійснювати їх друк у вигляді замкнутого контуру. 4. Для невеликих складних за формою конструкцій, що вимагають високої точності виконання (наприклад, малих архітектурних форм), необхідно використовувати менший діаметр сопла, що обумовлено більшою точністю друку та меншою пористістю структури композитів. Використання сопла меншого діаметра для 3D-друку протяжних лінійних конструкцій з метою зменшення їх пористості і порожнечі недоцільно у зв'язку зі значним збільшенням тривалості виконання робіт. 5. Отримано залежності кількості друкованих шарів, які здатні витримати перший (нижній) шар з деформаціями, що не перевищують нормативних вимог, від параметрів рухливості та початкової в'язкості сировинних сумішей. Встановлено, що шар дрібнозернистої бетонної суміші з маркою по рухливості Пк 3 (в'язкість 0,152 Пахс) здатний витримати один вищеукладений шар без деформацій, що перевищують нормативні вимоги; шар суміші з рухливістю Пк 3 (в'язкість 0,42 Пахс) - 3 шари; шар суміші з рухливістю Пк 3 (в'язкість 1,01 Пахс) - 4 шари; шар суміші з рухливістю Пк 2 (в'язкість 2 Пахс) - 8 шарів. Показано, що для складів дрібнозернистих бетонних сумішей, що розглядаються, найбільш переважним за критерієм максимальної кількості шарів, які здатний витримати перший шар з деформаціями, що не перевищують нормативних вимог, є значення в'язкості ��0 = 2 Пахс. 6. Розроблено практичні рекомендації оптимізації процесу будівельного 3D-друку, що враховують взаємозв'язок геометричних характеристик формованих виробів і конструкцій з реотехнологічними характеристиками дрібнозернистих бетонних сумішей і технологічними параметрами адитивного виробництва. 7. Розроблено науково обґрунтований підхід, що забезпечує прогнозування процесів розвитку деформацій надрукованих шарів, що дозволяє оптимізувати технологічні параметри адитивного будівельного виробництва для одержання конструкцій із геометричними відхиленнями в межах нормативних значень. 4.2. Технологічний регламент виконання технології адативного виробництва 3D друку будівельних конструкцій та споруд методом пошарової екструзії з електродним прогрівом модифікованого бетону Технологічний регламент розроблений на електродний прогрів модифікованого дрібнозернистого бетону в технології адитивного будівельного виробництва, [1, 24, 72]. Сутність методу електродного прогріву дрібнозернистої бетонної суміші в технології адитивного будівельного виробництва полягає в інтенсифікації набору міцності бетону за рахунок виділення тепла внаслідок протікання крізь нього електричного струму, що призводить до скорочення термінів схоплювання і часів затвердіння і, відповідно, дозволяє керувати цими процесами. У технологічній карті прийнята дрібнозерниста бетонна суміш на основі ПЦ ЦВМ I 42,511, кварцового піску з модулем крупності Мк 3 при співвідношенні цемент/пісок = 1/3, модифікована активною мінеральною, пластифікуючою та гідрофобізуючою добавками. В даній технологічній карті наведено: - інформація про організацію робочої зони під час виробництва робіт; - професійний, кваліфікаційний та чисельний склад робітників; - калькуляція витрат праці та графік виконання робіт; - інструкції з контролю якості та приймання виконаних робіт; - вказівки з охорони праці; - потреба в матеріально-технічних ресурсах; - рекомендації щодо скорочення енергетичних витрат; - рекомендації з підготовки технологічного обладнання до З D -друку та наступного електродного прогріву; - техніко-економічні показники. Не допускається використання протиморозних добавок, що містять сечовину, так як при досягненні температури, що перевищує 40°С, відбувається її розкладання. Забороняється використання поташу, оскільки застосування цієї добавки призводить до значного зниження показників міцності. водостійкості та морозостійкості. 4.2. Організаційно-технологічні вимоги щодо виконання робіт з електродного прогріву модифікованого бетону в технології адативного будівельного виробництва У представленому технологічному регламенті описаний наскрізний електродний переріз фрагмента стіни, що формується методом 3D-друку, з установкою стрижневих електродів під час виконання робіт (рис. 4.1). До початку виконання робіт з електродного прогріву модифікованої дрібнозернистої бетонної суміші методом ЗD-друку потрібно виконати наступні підготовчі заходи: виконати розрахунок параметрів електродного прогріву конструкції: - провести первинний інструктаж на робочому місці; встановити комплексну трансформаторну підстанцію КТП ТО-80/86 на рівній площадці поблизу захватки; - встановити інвентарні огородження та сигнальні лампи згідно зі схемою організації робочої зони; - виконати підключення трансформаторної підстанції КТП ТО-80/86 до мережі живлення з подальшою перевіркою її працездатності без навантаження; - виготовити інвентарні секції шинопроводів (рис. 4.2); - встановити секції шинопроводів у конструкції, що обігрівається; - виконати заходи та охорону праці; - виконати з'єднання шинопроводів між собою кабелем марки КРПТ 3x25; - з'єднання шинопроводів до підстанції КТО ТО-80/86 кабелем марки КРПТ 3x50. Рис. 4.1 - Схема фрагмента стіни та встановлення електродів (а - вид зверху; б - вид збоку): 1 - надруковані бетонні шари; 2 – стрижневі електроди. Рис. 4.2 - Інвентарна секція шинопроводів (крайня секція): 1 - роз'єм: 2 - дерев'яна стійка: 3 - болти: 4 - струмопроводи (смуга 3 х 40мм) Визначення складу робочих, розрахунок витрат праці, і графіка виконання робіт, техніко-економічних показників та потреби в матеріально- технічних ресурсах зроблено виходячи з необхідності прогріву фрагмента 3 стіни об'ємом 1 м (без урахування порожнеч), що формується методом пошарової екструзії на будівельному майданчику і розташованої в межах однієї захватки. При необхідності застосування цієї технологічної карти для прогріву інших конструкцій, що формуються методом будівельної ЗD -друку, потрібно внести зміни до графіка робіт, калькуляції трудових витрат, уточнити потребу в матеріально-технічних ресурсах та електричні параметри прогріву. В якості електродів прийняті сталеві стрижні довжиною 400 мм, діаметром 6 мм. Електроди встановити так, щоб їх кінці виступали за зовнішню грань надрукованих шарів на 10-15 см. Відстань між електродами приймається за розрахунком залежно від тривалої тривалості технологічної перерви. Далі електроди з'єднують між собою і підключають до секцій шинопроводів з подальшим їх підключенням до мережі живлення. Перед підключенням електродів необхідно здійснити контроль правильності розташування комутації, якості контактів, коректності розташування температурних датчиків. Після подачі напруги на електроди черговий електромонтер повторно оглядає всі контакти на справність і працездатність, а при виникненні короткого замикання - ліквідує причину, що викликала його. Швидкість підйому температури при прогріванні дрібнозернистої бетонної суміші повинна становити трохи більше 6°С/год. Під час розігріву бетону температура відстежується за встановленими температурними датчиками з інтервалом, тривалістю не більше 1 години. У процесі ізотермічного прогріву дрібнозернистого бетону проводять вимірювання його температури за встановленими температурними датчиками з інтервалом, тривалістю не більше 2 годин. У період підвищення температури і після кожного переключення напруги потрібно відстежувати показання вимірювальних приладів на контактах. Швидкість розігріву бетону регулюється підвищенням або пониженням напруги на низькій стороні трансформатора. Якщо в процесі прогріву температура зовнішнього повітря збільшується або зменшується щодо розрахункової величини, то напруга на низькій стороні трансформатора знижують або підвищують на відповідну величину. Прогрів здійснюється на зниженій напрузі 50-75 В. Прогрів здійснюється до досягнення дрібнозернистої бетонної суміші критичної пластичної міцності - значення пластичної міцності суміші, при досягненні якої забезпечується її здатність витримувати вагу вищерозміщених шарів без деформацій, що дорівнює 3000 кПа. Швидкість остигання конструкції після закінчення теплової обробки становить не більше 5°С при її модулі поверхні Мп = 5-10 і не більше 10°С при її модулі поверхні Мп > 10, Пластичну міцність суміші вимірюють за фактичним температурним режимом пенетромітричним методом. З метою запобігання появі тріщин у бетонних конструкціях перепад температур між відкритою поверхнею бетону та зовнішнім повітрям не повинен перевищувати 20°С для конструкцій з модулем поверхні Мп < 5 і 30°С для конструкцій з модулем поверхні Мп > 5. Подальшу 3D-друк (після електродного прогріву) виконують з дрібнозернистої бетонної суміші аналогічного складу. Електродний прогрів конструкції стіни з дрібнозернистої бетонної суміші виконує ланку з п'яти осіб (таблиця 4.1 ) Таблиця 4.1 - Розподіл операцій за виконавцями № Склад ланки по Кіл-ть Перелік робіт п/п професіям чол. 1 Електромонтер 1 Під'єднання КТП ГО-ХО/86 до 5 розряду мережі живлення і до секцій шинопроводу, розстановка та з'єднання електродів 2 Електромонтер 1 Розстановка шинопроводів, 3 розряду розстановка та комутація електродів 3 Бетоняр 4 розряду 1 Підготовка електродів, підготовка 4 Бетоняр 3 розряду 1 бетонної суміші Контроль якості суміші, створення Оператор 5 1 цифрової моделі та G-коду, 313- технолог друк Електродний прогрів конструкцій стін, що формуються методом адитивного будівельного виробництва, виконують у наступному порядку: - Робітники здійснює-підготовку електродів зі сталі діаметром 6 мм необхідної довжини та в потрібній кількості; електромонтер 5 розряду робить обробку кінців жил кабелю, приєднує його до трансформаторної підстанції КТП ТО-80/86; електромонтер розряду 5 розставляє секції шинопроводів уздовж захватки, з'єднуючи їх між собою; електромонтер 5 розряду підключає шинопровід до трансформаторної підстанції, проводить заземлення та перевіряє його коректність його роботи; - Електромонтер 5 розряду і різноробочі встановлюють електроди в конструкцію відповідно до обраної схеми в процесі 3D-друку. виробляють комутацію електродів між собою та підключають їх до секцій шинопроводів. Для енергозбереження при електродному прогріві монолітних конструкцій рекомендується: - не допускати охолодження дрібнозернистої бетонної суміші, порушення її однорідності та зниження -заданої рухливості на будівельному майданчику на місці пошарової екструзії (ЗВ-друку); застосовувати дрібнозернисті бетонні суміші вищої міцності при малій тривалості прогріву; застосовувати максимально допустиму температуру температурної обробки бетону, - стежити за якістю контактів. 4.3. Вимоги до якості та приймання робіт при влаштуванні робіт робіт з електродного прогріву модифікованого бетону в технології адативного будівельного виробництва Контроль якості електродного прогріву конструкцій з дрібнозернистого бетону, що формується методом адитивного будівельного виробництва, на будівельному майданчику виробляють відповідно до положень нормативних вимог, наведених у [1, 24]. Його здійснюють виконроби, майстри, із залученням фахівців енергетичних служб будівельних організацій. Виробничий контроль включає вхідний контроль спеціалізованого електрообладнання, використовуваних матеріалів та дрібнозернистої бетонної суміші, операційний контроль окремих виробничих операцій та приймальний контроль необхідної якості надрукованих конструкції. При вхідному контролю електротехнічного обладнання, використовуваних матеріалів та бетонної суміші оглядають їх відповідність нормативним та проектним вимогам, а також наявність та утримання паспортів, сертифікатів та ін. При операційному контролі якості робіт перевіряють дотримання складу підготовчих операцій, технології налаштування електрообігрівального обладнання та спеціалізованих пристроїв, друку бетонної суміші у відповідності до вимог нормативних документів, процес електродного прогріву, температуру, силу струму та напругу у відповідності з розрахунковими даними При приймальному контролі на 3D-пригггері конструкцій і про результати електродного прогріву: Контроль температури дрібнозернистого бетону, що прогрівається, слід виконувати безпосередньо термометрами або дистанційно за допомогою температурних датчиків Температура бетону перевіряється не рідше ніж через кожні 2 години. Вимірювання сили струму і напруги в ланцюгу живлення здійснюється через кожну годину Таблиця 4.2 - Склад та зміст виробничого контролю якості Хто Виконроб або майстер контролює Операції з Операції, що Операції під Підготовка влаштування Операції при підлягають час вхідного та тривалість фундаменту та приймальному контролю контролю операції прогріву контролі бетону 1. Влаштуван ня захисного 1. Укладання огородження бетону в і світлової конструкцію Перевірка сигналізації монолітного ізоляції на ділянці фундаменту проводів і робіт, 2. Контроль працездатність очищення Відповідність величини сили комутаційної основи готового струму і Склад апаратури. опалубки, монолітного напруги контролю трансформаторіарматури від фундаменту живильного в та ін. снігу, нале- вимогам ланцюга електроустатку ди. проекту 3. Контроль вання, що 2. Встановле температури використовуєть ння бетону ся в роботі стрижневих 4. Контроль електродів міцності 3. Утеплен бетону ня конструкції Візуально- Методи Візуально-інструментальна Візуальна та за інструментальн контролю перевірка приладами а У процесі Час кон- До початку До і після Після електро- електрообігрів троля бетонування бетонування грообоїрева у бетону Хто Енергетик Електромонте Майстер, Лабораторія, залучається будівельної ри та виконроб технагляд до контролю організації лабораторія 4.4. Калькуляція трудових затрат та заробітної плати технології 3D- друку Таблиця 4.3 - Калькуляція витрат праці та заробітної плати при електродному ггрогріві дрібнозернистого бетону Норма Витрат № Од Обсяг часу, и праці Найменування робіт Склад ланки п/п вим. робіт чол-год чол.- год Установка Електромонтер 5 1 трансформаторної 1 шт. 1 ПГТ. 2,5 2,5 р. - 1 чол. 3 р. -1 підстанції в зоні прогріву чол. Перенесення та встановлення на місце Електромонтер 3 2 інвентарних секцій т 0,06 1,2 0,072 р. — 1 чол. шинопроводу при масі секцій 10 кг 10 Бетоняр 3 р. - 1 3 Заготовка електродів перер20 0,08 1,6 чол. ізів Бетоняр 3 р. - 1 Установка захисного 2 м чол. 4. 56 0,1 5,6 огородження Електромонтер 3 р. - 1 чол. Установка магістралі та приєднання до неї 1 м3 електродів, приєднання прогр Електромонтер 5 5 трансформаторної ітого 19 0.98 18,62 р. - 1 чол. 3 р. - 1 підстанції, укладання бетон чол. електродів у тіло бетону. у Зняття проводів, що підводять магістралі після прогріву Перевірка стану кабелю 1 ка- Електромонтер 3 6 7 0,24 1,7 мегаомметром бель р. — 1 чол. Електропрогрів бетонної Електромонтер 3 7 год 17 1 17 суміші р. — 1 чол. 10 Бетоняр 3 р. - 1 8 перер20 0,08 1,6 чол. Зрізання електродів ізів 100 Електромонтер 3 9 Від'єднання секцій кін- 1,0 2,5 2,7 р. - 1 чол. шинопроводів ців 4.5. Матеріально-технічні ресурси технології 3D-друку Таблиця 4.4 – Матеріально-технічні ресурси для електродного прогріву мілкозерністого бетону № Марка (ДСТУ, Кіл- Технічна Найменування Од п/п ТУ) вим. ть характеристика Потужність – 80 Комплектна кВт Макс, струм трансформаторна 1. КТП ТО-80/86 пгг. 1 490 А підстанція 1 Напруга 55,65, для прогріву бетону 75, 85, 95 В Струмовимірювальні 2. Ц-91 шт. 1 - клепці Довжина секції - 3. Інвентарні секції - пгг. 6 1,5 м, маса 10 кг КРИТ-3x25 + 1 х 16 25 КРИТ - 3 х 50 50 4. Кабель м ДСТУ 13497-68 КРИТ-3x25 12 КРИТ-Зх 16 25 5 АИР - 4 мм 250 Сталь арматурна - ГОСТ 5781-82 50 5. кг 6 мм електроди Інвентарна сітчаста - м“ 56 6. h = 1,5 м огорожа Діелектричні рукавички ТУ 38-106359 пар. 2 7. калоші 79 пар. 2 - килимок шт. 1 - 1 З 8. Протипожежний піп шт. вуглекислотними вогнегасниками 9. Прожектор - шт. 2 Потужність – 1000 Вт 4.6. ЗАХОДИ З ОХОРОНИ ПРАЦІ І БЕЗПЕЧНОГО ВЕДЕННЯ РОБОТ При експлуатації стрижневих електродів з арматурної сталі та силового живильного електроустаткування крім загальних вимог править безпечного виконання робіт згідно ДБН А.3.2-2-2009 «Система стандартів безпеки праці. Охорона праці і промислова безпека у будівництві. Основні положення» слід керуватися «Правилами технічної експлуатації та безпеки електроустановок промислових підприємств». На будівельному майданчику в зоні виконання робіт необхідно забезпечити електробезпеку відповідно до вимог ДБН А.3.2-2-2009. Робітники, які виконують будівельну ЗD печать, повинні бути ознайомлені з технікою безпеки, вміти надати першу долікарську допомогу при отриманні електротравм. У будівельній організації повинен бути інженерно-технічний працівник, який несе відповідальність за безпечну експлуатацію електрообладнання організації, що має кваліфікаційну групу з техніки безпеки не нижче IV. Роботи, пов'язані з приєднанням проводів, повинні виконуватись фахівцями з електротехніки, які мають відповідну кваліфікаційну групу з техніки безпеки. Протягом усього періоду виконання робіт з електроустановками та електрообладнанням на будівельних майданчиках повинні бути встановлені знаки безпеки та освітлювальне обладнання відповідно до вимог чинних ДБН. Працівники, які здійснюють прогрівання бетону, повинні мати відповідну кваліфікацію в даній галузі: пройти навчання та перевірку знань з техніки безпеки. Чергові електромонтери повинні мати кваліфікацію не нижче III групи. Працівникам, зайнятим на прогріві бетону, повинні бути видані гумові чоботи або діелектричні калоші, а електромонтерам, крім того, гумові рукавички. Електродний прогрів бетону повинен здійснюватися на спеціально обгородженому майданчику. На огорожі встановлюються сигнальні червоні лампочки, що автоматично загоряються при подачі електричної напруги в лінію прогріву, з метою освітлення та позначення цієї зони в нічний час. На видному місці також розміщуються спеціалізовані попереджувальні плакати, правила з охорони праці, протипожежні засоби. Усі металеві струмопровідні частини електрообладнання вимагають надійного заземлення, яке здійснюється приєднанням до них нульового дроту кабелю живлення. При використанні захисного контуру заземлення перед включенням напруги необхідно перевірити опір контуру (не більше 4 Ом). Поблизу трансформаторів, рубильників та розподільчих щитків встановлюють настили, покриті гумовими килимками. Перевірку опору ізоляції проводів за допомогою мегаомметра виробляє персонал, кваліфікаційна група та техніки безпеки якого не нижча за III. Ділянка прогріву бетону має постійно перебувати під наглядом чергового електрика. Забороняється: - підключати під напругу дроти з механічними пошкодженнями ізоляції та ненадійно виконаними комутаційними з'єднаннями; - проводити роботи з прогріву у сиру погоду та без огородження зони прогріву; - здійснювати роботи за несправності електропроводки; - прокладати дроти по ґрунту; - розміщувати легкоспалахуючі матеріали поруч із установкою для прогріву бетонної суміші. 4.7. Техніко-економічні показники Таблиця 4.5 - Калькуляція вартості виробництва 1 м3 бетону стіни, що формується з модифікованої дрібнозернистої бетонної суміші методом пошарової екструзії (3D-друку). № Од. Вартість Разом за Найменування статей витрат п/п вим. за од., грн. 3 1 м . грн. 1 Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н т 7233.12 2531.592 Пісок для будівельних робіт, модуль 2 т 598,6 628.53 крупності Мк = 3 3 Каолін т 55 400 1939 Пластифікуюча добавка на основі ефірів 4 т 200 000 700 полікарбоксилатів «MasterGlenium 115» Гідрофобізуюча добавка на основі 5 поліфенілетоксисилоксану «ФЕС-50» т 59789,73 1494,74 Напрямні та настил з деревини 6 пгт 1 520 (Х)0 41,66 50x50x1000 мм 7 Комплект кріпильних виробів пгт 1 520 000 41,66 Будівельний 3D-принтер (продуктивність - 8 0,6 куб.м. / год експлуатаційний ресурс - грн. 760 000 20,83 60 000 год потужність, що відбивається - 2,5 кВт) 9 Амортизація 3D-принтера 3 м 18,64 3,82 Витрати на утримання та ремонт 10 обладнання (50% від п.9) кВтгод 4,12 0,99 11 Електроенергія кВтгод 4,12 112,85 60 000 50 000 руб/ме 12 Водовідведення 40 000 2604,17 с 60 000 40 000 13 Вартість оренди приміщення до 200 м руб. 108 166,18 2253,46 Заробітна плата виробничих робітників: руб. 12725.09 14 Оператор-технолог — 1 чол. руб- 1 272,51 Різноробочий — 2 чол. (по 15 000 грн/мес) руб 13 997,60 15 Страхові внески (30,2% от п .15) руб- 4 199,28 Разом заводська собівартість руб. 18 196.88 Інші витрати (10% від заводської 16 руб. 3 639,38 собівартості) Разом повна собівартість руб. 21 836,26 Висновки по розділу 4 1. Наведено практичні рекомендації щодо оптимізації технологічних параметрів будівельного 3D-друку. 2. Обґрунтовано технологічний регламент виконання технології адативного виробництва 3D друку будівельних конструкцій та споруд методом пошарової екструзії з електродним прогрівом модифікованого бетону. 3. Наведено Організаційно-технологічні вимоги щодо виконання робіт з електродного прогріву модифікованого бетону в технології адативного будівельного виробництва