Курсовая работа: Сухие смеси для аддитивных строительных технологий

Курсовой проект

Сухие смеси для аддитивных строительных технологий

Выполнил: студент 1 курса

группы мЭКСМ-211

Калашников В.Б.

Проверил: к.т.н. доц.

Усачёв А.М.

Воронеж 2022

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1.Общая характеристика продукции
• 2.Технологические решения
• 2.1.Общая характеристика технологии
• 2.2Характеристика сырья и полуфабрикатов
• 3.Основные свойства продукции
• 4.Основные производители продукции
• 5.Основные конкуренты продукции
• 6.Информационный поиск
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Перспективность аддитивных технологий в развитии современного строительства обусловлена автоматизацией процесса, сокращением отходов производства, сроков строительства, времени возведения объектов [1-9]. Однако подобные технологи требуют больших материальных затрат на качественное оборудование, модификацию и подбор необходимого материала. Композиты с использованием цемента впервые были предложен профессором Стэндфордского университета [10, 11]. Использование сухих строительных смесей (ССС) предопределена уникальностью свойств материала и необходимостью точности дозировки компонентов. Сухие смеси значительно превышают традиционные растворы по качеству и уровню строительных работ, а также они помогают снизить трудоемкость производства.

Анализ литературы [12-15] показал, что для 3D-печать необходим специфический состав сухой строительной смеси с уникальными характеристиками готового материала. Редиспергируемые полимерные добавки (РПП) модификаторы, регулирующие реологические свойства, по-нашему мнению, необходимые компоненты строительных смесей для печати. Введение РПП позволит получить высокотехнологичный раствор, за счет его редиспергирования при добавлении воды затворения и образовании полимерной пленки на поверхности минеральных компонентов ССС [16, 17].

РПП обладают уникальными свойствами и придают готовому продукту необходимые характеристические показатели. Такие как высокую адгезию ко многим поверхностям, износоустойчивость, удобоукладываемость, уменьшают хрупкость готового продукта и многие другие [18, 19]. В статье [20], авторы пришли к выводу, что дозирование редиспергируемых полимерных порошков во многих научных исследованиях [21, 22] завышено для улучшения свойств строительных смесей, что является важной проблемой в реализации строительства объектов с использованием 3D-печати.

Также возникает ряд проблем, возникших при строительной печати: коагуляция полимерных и минеральных частиц, избыток влаги в полимерцементной системе, изменение формы слоя при нанесении последующих, и их деформация в результате давления. Целью данной работы являлась разработка состава сухой строительной смеси для строительной 3D-печати и усовершенствование классической технологии. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи ? выявить влияние исследуемых добавок на коллоидно-химические характеристики смеси, определить технологические и прочностные свойства смеси.

1.Общая характеристика продукции

Немаловажную роль в технологии строительной 3D-печати играет состав рабочей смеси. Ее основой является быстротвердеющий бетон, который может включать в свой состав различные добавки для повышения тех или иных характеристик несущих элементов конструкции, а также может комбинироваться либо с различными видами фибр, либо со стальной арматурой (рис. 1). Бетонная смесь представляет собой высокопрочный бетон класса В50, необходимый для создания «органической структуры стен», прочность которого достигает 650-700 кгс/см2.

В первые сутки конструкция на основе бетонной смеси обретает до 25 % проектной прочности, но такие высокие темпы набора прочности не оказывают негативного влияния на конечные свойства бетона. Схватывание смеси происходит в течение 3-120 мин, при этом достаточно хорошо сохраняется форма, что необходимо при 3D-печати. Для бетонной смеси характерны малая усадка (0,6 мм/м в возрасте 28 сут) и минимальное водоцементное отношение.

Рис. 1 Материалы, используемые при послойном экструдировании.

Быстротвердеющие составы, в основу которых входит бетонная смесь, предполагают:

- применение жесткой бетонной смеси с низкими значениями водоцементного отношения;

- использование добавок - ускорителей твердения (СаС12), глиноземистого цемента и др.;

- сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса (2-5 % от массы цемента) или с применением комплексных специальных добавок;

- активацию цементного раствора.

Характеристики бетона

По показателям качества бетоны подразделяют по прочности:

на классы прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В22,5; В25; В27,5; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В70; В80; В90; В100; В110; В120,

- на классы прочности на осевое растяжение:

- на классы прочности на растяжение при изгибе:

По морозостойкости:

- на марки по первому базовому методу:

- по водонепроницаемости на марки: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20;

Классы бетона по прочности, марки по морозостойкости, водонепроницаемости устанавливают в соответствии с нормами проектирования и указывают в проектной и технологической документации, стандартах и технических условиях на изделия и конструкции:

- Виды бетонов по темпам набора прочности устанавливают в соответствии с ГОСТ 25192.

- В зависимости от условий работы бетона в различных средах эксплуатации по ГОСТ 31384 допускается устанавливать дополнительные требования к бетону по нормируемым показателям качества по ГОСТ 4.212.

- Возраст бетона, в котором обеспечиваются заданные технические требования, должен быть указан в проекте. Проектный возраст бетона назначают в соответствии с нормами проектирования с учетом условий твердения бетона, способов возведения и сроков фактического нагружения конструкций. Если проектный возраст не указан, технические требования к бетону должны быть обеспечены в возрасте 28 сут.

- Значения нормируемых показателей отпускной и передаточной прочности бетона сборных бетонных и железобетонных изделий устанавливают в стандартах или технических условиях на эти изделия.

- Значения нормируемых показателей прочности бетона монолитных конструкций в промежуточном возрасте устанавливают в технологической документации.

- Минимальный класс бетона по прочности на сжатие для армированных изделий и конструкций принимают по ГОСТ 13015.

- В период изготовления изделий и конструкций, а также строительства и эксплуатации зданий и сооружений из бетона во внешнюю среду не должны выделяться вредные вещества в количествах, превышающих действующие санитарно-гигиенические нормы

Из добавок - ускорителей твердения наиболее распространен хлористый кальций, обеспечивающий лучшие результаты по сравнению с другими добавками. В бетонных конструкциях количество такой добавки не должно превышать 3 %.

Основные достоинства данного материала:

- малое время сохранения подвижности смеси позволяет печатать элементы большой высоты без промежуточного подсушивания;

- небольшая прочность: на сжатие в возрасте 28 сут - 1,6 МПа, на растяжение при изгибе - 1 МПа;

- хлористый кальций позволяет ускорить твердение бетона в раннем возрасте, несколько снизить расход цемента и улучшить удобоукладываемость смеси;

- готовый материал обеспечивает быстрое нарастание прочности, обладает высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Одной из добавок к бетонной смеси для печати на 3D-принтере также является фибра, которая представляет собой материал, применяемый в качестве армирующего компонента для улучшения свойств бетона. Она добавляется в сухие строительные смеси и растворы, выполняя роль микроармирующего компонента, модифицирующего (оптимизирующего) структуру вяжущих веществ строительных конгломератов на микроуровне, поэтому позволяет обойтись без армирования бетона стальной арматурой, так как в достаточной мере обеспечивает прочность и жесткость конструкции.

Табл. 1 Виды фибр, используемые в комбинации с бетонной смесью при 3D-печати

2.Технологические решения

2.1Общая характеристика технологии

Метод послойного экструдирования является основным способом 3D-печати большинства строительных принтеров. Его суть заключается в том, что рабочее сопло, или экструдер, 3D-машины выдавливает быстротвердеющую бетонную смесь, в которую включены различные добавки, улучшающие характеристики будущей конструкции. Каждый очередной слой выдавливается 3D-принтером поверх предыдущего, благодаря чему формируется определенная конструкция (рис. 2). Конструкция имеет гигантское, собираемое на месте стройки 3D-принтера по типу мостового крана.

Рис. 2. Изготовление конструкции сооружения методом послойного экструдирования

В настоящее время известно о существовании двух видов конструкций 3D-принтеров - в виде мостового крана и в виде стрелы-манипулятора. Строительный 3D-принтер имеет сопло, или экструдер, и выдавливает из него рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие, называется рабочей зоной и имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла, причем опалубки не требуется. Другими словами, строительная машина объемной печати - самодостаточный механизм, который способен создать готовое здание, используя электроэнергию. Основными составляющими 3D-машины являются рама, на которой смонтировано устройство, перемещающееся линейно в плане по направляющим, установленным вдоль здания, а также устройства для передвижения сопла и поднятия конструкции принтера. Таким образом, движение осуществляется в трех взаимно перпендикулярных направлениях - по осями x, y, z.

Сама система для печати с помощью 3D-принтера (рис. 5) содержит следующие элементы:

- систему движения (козловые краны или роботизированный манипулятор);

- систему экструзии (печатающая головка с насадкой);

- портативную смесительную установку (просеивание и смешивание компонентов);

- систему накачки (контролируется электроникой);

- блок управления (электроника, позиционирование и система управления);

- систему мониторинга (камеры/мониторы слежения за процессом печати);

- систему безопасности (автоматически выключает систему при необходимости).

Рис. 3. Система для печати зданий с помощью 3D-принтера: 1 - сопло (экструдер);

2 - рама; 3 - направляющие вдоль здания; 4 - механизм передвижения сопла;

5 - устройство для поднятия конструкции принтера; 6 - автобетоносмеситель для подачи цементного состава

2.2 Характеристика сырья и полуфабрикатов

Характеристика бетонной смеси

Бетонные смеси должны обеспечивать получение бетонов с заданными показателями качества (бетонные смеси заданного качества) либо иметь заданный состав (бетонные смеси заданного состава) в соответствии с договором на поставку.

Бетонные смеси характеризуют следующими технологическими показателями качества:

- удобоукладываемость;

- средняя плотность;

- расслаиваемость;

- пористость;

- температура;

- сохраняемость свойств во времени;

- объем вовлеченного воздуха.

Табл. 2 Предельное отклонение бетонной смеси

Удобоукладываемость бетонной смеси может быть задана маркой и дополнительно конкретным значением показателя удобоукладываемости в соответствии с таблицами 2 и 3.

Расслаиваемость бетонной смеси не должна превышать значений, приведенных в таблице 3.

Табл. 3 - Требования к расслаиваемости бетонной смеси

Табл. 4 - Допустимые отклонения заданных значений показателей качества бетонной смеси