Способ аддитивного строительного производства


B33Y10/00 -
B33Y10/00 -
B33Y10/00 -
B33Y10/00 -

Владельцы патента RU 2791841:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" (КазГАСУ) (RU)

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Техническим результатом является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции. Способ аддитивного строительного производства включает приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение. При этом осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» на основе эфира поликарбоксилата, тонкомолотый пуццолановый компонент - метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг, кремнийорганическое соединение - метилсиликонат калия и воду при определенном соотношении компонентов. 2 табл.

 

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

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

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

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

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

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

Поставленная задача достигается тем, что способ аддитивного строительного производства, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение, отличается тем, что осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» на основе эфира поликарбоксилата, тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2 /кг, кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия и воду при следующем содержании компонентов, мас.%:

Портландцемент 20,0-30,0
Указанный песок 44,4-69,8
Суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» 0,2-1,2
Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 1,0-9,0
Кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия 0,1-0,8
Вода 8,9-14,9

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

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

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

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

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

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

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

- суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата «MasterGlenium ACE 430» производства ООО «BASF Строительные системы», представляющий собой жидкость светло-коричневого цвета плотностью при 20 0C 1,06 г/см3, pH – 5,5;

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

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

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом:

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

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

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

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

5. Производят приготовление модифицированной бетонной смеси для 3D-печати переходного слоя: в работающий смеситель загружают заранее отдозированные сухие компоненты модифицированной бетонной смеси – портландцемент, песок, тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин и производят их перемешивание до получения однородной массы. Затем производят дозирование по массе воды, суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430», кремнийорганического соединения – метилсиликоната калия, производят их перемешивание до получения однородного раствора и постепенно добавляют его к тщательно перемешанным сухим компонентам, осуществляя перемешивание смеси до получения однородной массы.

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

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

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

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

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

Также были проведены испытания образцов по прототипу [1].

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


Таблица 1

Компоненты Составы модифицированных бетонных смесей (переходного слоя), мас. %
1 2 3 4 5 6 (прототип)
Портландцемент 20,0 20,0 25,0 30,0 30,0 25,0
Песок 69,63 69,8 56,85 44,4 44,4 61,6
Суперпластификатор – «MasterGlenium ACE 430» 0,05 0,2 0,7 1,2 1,5
Тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 0,5 1 5 9 11
Кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия 0,02 0,1 0,8 0,5 0,6
Вода 9,8 8,9 11,65 14,9 12,5 13,4

Таблица 2

Продолжительность технологического перерыва, мин Адгезия слоев, МПа
1 2 3 4 5 6 (прототип)
10 0,43 0,52 0,58 0,61 0,54 0,41
360 0,37 0,40 0,45 0,50 0,47 0,34
720 0,26 0,34 0,40 0,48 0,42 0,26

Из приведенных данных следует, что максимальные показатели адгезии напечатанных слоев достигаются при содержании в составе модифицированной бетонной смеси портландцемента – 20,0-30,0 % от общей массы композиции, песка – 44,4-69,8 %, суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430» – 0,2-1,2 %, тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина – 0,5-11,0 %,кремнийорганического соединения – метилсиликоната калия – 1,0-0,8 %, воды – 8,9-14,9 %. При введении суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430», тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина, кремнийорганического соединения – метилсиликоната калия, в количестве меньше указанных в таблице 1 (состав 1), наблюдается снижение показателей адгезии по сравнению с заявляемыми пределами. При их введении, в количествах больше указанных в таблице 1 (состав 5), показатели адгезии слоев, напечатанных на 3D-принтере, снижаются.

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

Применение суперпластификатора «MasterGlenium ACE 430» позволяет сократить количество воды затворения, улучшить пластичность модифицированной бетонной смеси, повысить ее плотность и величину адгезии затвердевшего композита при когезионном разрушении.

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

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

Совместное применение суперпластификатора – «MasterGlenium ACE 430», тонкомолотого пуццоланового компонента – метакаолина, кремнийорганического соединения – метилсиликоната калия позволяет достичь синергетического эффекта, выражающегося в улучшении пластичности, однородности и связности модифицированной бетонной смеси, повышении ее плотности и прочности, замедлении кинетики структурообразования, снижении потерь химически несвязанной воды в процессе технологического перерыва, что способствует увеличению площади межфазного контакта слоев, напечатанных до и после технологического перерыва с переходным слоем, и приводит к повышению показателя адгезии затвердевших слоев.

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

Источники информации:

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

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

Способ аддитивного строительного производства, включающий приготовление бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3 и воду, выдавливание ее в виде пластичного филамента через раздаточную головку принтера и укладку в проектное положение, отличающийся тем, что осуществляют приготовление модифицированной бетонной смеси для переходного слоя и ее укладку на филамент из указанной бетонной смеси, осуществляют технологический перерыв в течение 10, 360 или 720 минут с последующим возобновлением укладки после технологического перерыва указанного филамента, при этом модифицированная бетонная смесь для переходного слоя включает портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 1,2-3, суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» на основе эфира поликарбоксилата, тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г, степенью помола не менее 2000 м2/кг, кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия и воду, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Портландцемент 20,0-30,0
Указанный песок 44,4-69,8
Суперпластификатор «MasterGlenium ACE 430» 0,2-1,2
Указанный тонкомолотый пуццолановый компонент – метакаолин 1,0-9,0
Кремнийорганическое соединение – метилсиликонат калия 0,1-0,8
Вода 8,9-14,9



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Техническим результатом является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для аддитивного производства методом послойной экструзии (3D-печати) строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений. Техническим результатом является возможность осуществления более продолжительных технологических перерывов (до 12 ч) без образования холодных швов и снижения адгезии слоев, уложенных непосредственно до и после технологического перерыва, за счет устройства переходного слоя из модифицированной бетонной смеси, обуславливающего высокое качество строительной продукции.

Группа изобретений относится к печатающей головке (1) для печати трехмерных структур из бетона, а также к способу, при котором такая печатающая головка используется для укладывания друг над другом слоев бетонного материала. Печатающая головка (1) согласно изобретению выполнена с возможностью перемещения в пространстве и укладывания друг над другом отдельных слоев (20a) бетонного материала, который образует изготавливаемую структуру.

Опалубочная система для сборно-монолитных бетонных стен-диафрагм жесткости, содержащая ферму из C-образных стальных профилей, полученную соединением нескольких C-образных стальных профилей (1) с горизонтальными арматурами (2); C-образные стальные профили (1) на двух боковых вертикальных сторонах снабжены сквозными отверстиями; в сквозных отверстиях установлены гайки-заклепки (3); в гайки-заклепки (3) одним концом ввинчены стяжные винты (20), и на стяжные винты (20) надеты уплотнительные опорные элементы; уплотнительные опорные элементы содержат внутреннюю часть (4) и внешнюю часть (5) уплотнительных опорных элементов; внутренние части (4) уплотнительных опорных элементов состоят из трехсекционной муфты с постепенно уменьшающимся изнутри наружу внешним диаметром, при этом ее крайняя в направлении наружу секция снабжена внешней резьбой; внешние части (5) уплотнительных опорных элементов представляют собой гайку.

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения железобетонных стен при монолитном домостроительстве. Технический результат: сокращение времени строительства с одновременным повышением прочности и срока службы возводимых стен здания за счет повышения стойкости стен к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.

Изобретение относится к способам гражданского и промышленного строительства, в частности к быстровозводимым каркасно-монолитным зданиям, и может быть использовано при возведении как малоэтажных, так и многоэтажных зданий с длительным сроком эксплуатации. Способ возведения многоэтажного здания с энергосберегающими многослойными стенами включает поэтажное возведение наружных стен из стеновых панелей высокой степени заводской готовности.
Изобретение относится к способам возведения конструкций из затвердевающего материала. Технический результат: снижение трудоемкости процесса, а также уменьшение времени, затрачиваемого на возведение конструкций.

Изобретение относится к области строительства, а именно к производству строительных изделий, и может быть использовано для возведения армированной бетонной стены на строительном 3D-принтере в заводских условиях. Технический результат: снижение материалоемкости армированной бетонной стены, повышение скорости ее возведения и ресурса строительного 3D-принтера, повышение трещиностойкости, несущей способности, качества и долговечности бетонной стены с возможностью ее изготовления на любых строительных 3D-принтерах.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве малоэтажных зданий в сейсмических районах. Способ возведения монолитной стены, включающий создание внутренней и внешней поверхностей из опалубочных элементов, укладку плит сборного покрытия и заливку бетонной смеси между опалубкой.

Изобретение относится к производству строительных изделий и может быть использовано при печати армированных бетонных стен на строительном 3D-принтере. Способ возведения бетонной стены, при котором послойно экструдируют через сопло строительного 3D-принтера пластичный раствор искусственного каменного материала с образованием внешнего и внутреннего слоев стены, стену армируют и заполняют полость между внешней и внутренней слоями стены теплоизолирующим материалом.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к жаростойким бетонам, предназначенным для применения в условиях повышенных температур. Сырьевая смесь для изготовления ячеистого жаростойкого бетона содержит, мас.%: портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н – 43,18-46,49, пенообразователь на протеиновой основе – 5,56-5,91, порошок диабаза с размером частиц не более 0,63 мм – 25,19-26,74, базальтовую фибру с длиной волокон 6-12 мм – 0,87-0,92, порошок диатомита с удельной поверхностью 29200 см2/г – 2,17-2,31, суперпластификатор "МС-ТехниФлоу 80" – 0,15-0,16, воду – 19,57-20,78.
Наверх