Совершенствование аддитивных технологий малоэтажного жилищного строительства

Применение аддитивных технологий в строительстве позволяет существенно сократить скорость возведения объекта, трудозатраты, отходы, снизить риски производственного травматизма и др. Несмотря на ряд имеющихся преимуществ данных технологий, их внедрение в строительство сопряжено с различными проблемами, одна из которых – необходимость обеспечения требуемой прочности сцепления напечатанных слоев. Имеется ряд исследований, посвященных решению данной проблемы и созданию эффективных материалов для аддитивного строительного производства преимущественно на основе цементного вяжущего; в значительно меньшей степени данные исследования имеются в области смесей на основе гипсовых и смешанных (гипсоцементно-пуццолановых) вяжущих. Цель настоящей работы заключается в разработке научно обоснованного технологического решения по совершенствованию аддитивных технологий малоэтажного жилищного строительства с использованием гипсоцементно-пуццолановых смесей (ГЦПС) за счет регулирования рецептурно-технологических факторов, обеспечивающих повышенную прочность сцепления напечатанных слоев. По результатам выполненных исследований разработано технологическое решение по совершенствованию технологии аддитивного строительного производства ГЦПС за счет регулирования кинетики набора пластической прочности смеси при ее модифицировании полифункциональной комплексной добавкой (КД), позволяющей обеспечить требуемую для 3D-печати жизнеспособность смеси в интервале 0–50  мин, существенно снизить дефектность экструдата в процессе 3D-печати, повысить прочность сцепления напечатанных слоев. Установлено, что прочность сцепления напечатанных без технологического перерыва из ГЦП бетонной смеси слоев, модифицированных полифункциональной КД, на 65% выше по сравнению с базовым составом; при осуществлении технологического перерыва продолжительностью 6 ч – на 25%, что подтверждает ее эффективность в технологии аддитивного строительного производства.

Р.З. РАХИМОВ, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Р.Х. МУХАМЕТРАХИМОВ, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Л.В. ЗИГАНШИНА, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

1. Mukhametrakhimov R., Lukmanova L. Structure and properties of mortar printed on a 3D printer. Magazine of Civil Engineering. 2021. Vol. 102. No. 2. https://doi.org/10.34910/MCE.102.6
2. Buswell R.A., Leal de Silva W.R., Jones S.Z., Dirrenberger J. 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 112, pp. 37–49. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
3. Wolfs R.J.M., Bos F.P., Salet T.A.M. Hardened properties of 3D printed concrete: The influence of process parameters on interlayer adhesion. Cement and Concrete Research. 2019. Vol. 119, pp. 132–40. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.02.017
4. Рахимов Р.З., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Структура и свойства мелкозернистых бетонов для 3D-печати на основе гипсоцементно-пуццолановых сухих строительных смесей // Строительные материалы. 2024. № 7. С. 33–40. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-33-40
4. Rakhimov R.Z., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R., Ziganshina L.V. Structure and properties of fine-grained concrete based on gypsum-cement-pozzolan dry mortars for 3DCP. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2024. No. 7, pp. 33–40. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-33-40
5. Kristombu Baduge S., Navaratnam S., Abu-Zidan Y., McCormack T., Nguyen K., Mendis P, Zhang G., Aye L. Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: A review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods. Structures. 2021. Vol. 29, pp. 1597–609. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.061
6. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История науки и техники. СПб.: Лань, 2022. 528 с.
6. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya nauki i tekhniki [History of science and technology]. SPb: Lan’. 2022. 528 p.
7. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История композиционных минеральных вяжущих веществ. СПб.: Лань, 2023. 268 с.
7. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya kompozitsionnykh mineral’nykh vyazhushchikh veshchestv [History of composite mineral binders]. SPb: Lan’. 2023. 268 p.
8. Пименов С.И., Мирзоев, М.А. О целях формирования 3D, 4D, 5D моделей в технологии информационного моделирования // Строительные конструкции, здания и сооружения. 2023. № 1 (2). С. 42–50.
8. Pimenov S.I., Mirzoev M.A. On the goals of forming 3D, 4D, 5D models in information modeling technology. Stroitel’nye konstrukcii, zdaniya i sooruzheniya. 2023. No. 1 (2), pp. 42–50. (In Russian).
9. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Крамеров Д.В., Воробьев П.Ю. Исследование особенностей работы бетонных конструкций, изготовленных с применением технологии аддитивного строительного производства // Строительные материалы. 2023. № 12. С. 38–46. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-820-12-38-46
9. Adamtsevich A.O., Pustovgar A.P., Adamtsevich L.A., Kramerov D.V., Vorobev P.Yu. Investigation of the working features of concrete structures manufactured using technologies of additive building manufacturing. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023. No. 12, pp. 38–46. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-820-12-38-46
10. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адамцевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производства // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
10. Pustovgar A.P., Adamtsevich L.A., Adamtsevich A.O. International research experience in the field of additive construction manufacturing. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2023. No. 11, pp. 4–10. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
11. Славчева Г.С. Строительная 3D-печать сегодня: потенциал, проблемы и перспективы практической реализации // Строительные материалы. 2021. № 5. С. 28–36. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-791-5-28-36
11. Slavcheva G.S. 3D-build printing today: potential, challenges and prospects for implementation. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2021. No. 5, pp. 28–36. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-791-5-28-36
12. Kuznetsov D.V., Klyuev S.V., Ryazanov A.N., Sinitsin D.A., Pudovkin A.N., Kobeleva E.V., Nedoseko I.V. Dry mixes on gypsum and mixed bases in the construction of low-rise residential buildings using 3D printing technology. Construction Materials and Products. 2023. № 6 (6). https://doi.org/10.58224/2618-7183-2023-6-6-5
13. Зиннуров Т.А., Красноперов З.А., Мусонго М. Оценка возможности применения аддитивных технологий при строительстве мостов // Автомобильные дороги и транспортная инфраструктура. 2024. № 1 (5). С. 16–24.
13. Zinnurov T.A., Krasnoperov Z.A., Musongo M. Assessment of the possibility of using additive technologies in bridge construction. Avtomobil’nye dorogi i transportnaya infrastruktura. 2024. No. 1 (5), pp. 16–24. (In Russian).
14. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. Rheological behavior and mix design for 3D printable cement paste. Key Engineering Materials. 2019. Vol. 799, pp. 282–287. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.799.282
15. Roussel N. Rheological requirements for printable concretes. Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 112, pp. 76–85. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.04.005
16. Бритвина Е.А., Славчева Г.С. Показатели технологичности цементных смесей для строительной 3D-печати: моделирование и экспериментальные исследования // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2021. Т. 49. № 4. С. 56–65. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-4/56-65
16. Britvina E.A., Slavcheva G.S. Manufacturability indicators of cement mixtures for construction 3D printing: modeling and experimental studies. Vestnik of the FEFU Engineering School. 2021. Vol. 49. No. 4, pp. 56–65. (In Russian). https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-4/56-65
17. Zhang Y., Zhang Y., She W., Yang L., Liu G., Yang Y. Rheological and harden properties of the high-thixotropy 3D printing concrete. Construction and Building Materials. 2019. Vol. 201, pp. 278–85. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.12.061
18. Ahi O., Ertunç Ö. Bundur Z.B., Bebek Ö. Automated flow rate control of extrusion for 3D concrete printing incorporating rheological parameters. Automation in Construction. 2024. Vol. 160, pp. 105319. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2024.105319
19. Lu B., Li M., Wong T.N., Qian S. Effect of printing parameters on material distribution in spray-based 3D concrete printing (S-3DCP). Automation in Construction. 2021. Vol. 124, pp. 103570. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103570
20. Muhammad Salman N., Ma G., Ijaz N., Wang L. Importance and potential of cellulosic materials and derivatives in extrusion-based 3D concrete printing (3DCP): Prospects and challenges. Construction and Building Materials. 2021. Vol. 291, pp. 123281. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123281
21. Liu J., Li S., Gunasekara C., Fox K., Tran P. 3D-printed concrete with recycled glass: Effect of glass gradation on flexural strength and microstructure. Construction and Building Materials. 2022. Vol. 314, pp. 125561. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125561
22. Патент РФ 2775131. Бетонная смесь на основе цемента для строительной 3D-печати / Мухамет-рахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Заявл. 30.12.2021. Опубл. 28.06.2022.
22. Patent RF 2775131. Betonnaya smes’ na osnove tsementa dlya stroitel’noi 3D-pechati [Cement-based concrete mixture for construction 3D printing]. Mukhametrakhimov R.Kh., Ziganshina L.V. Declared 30.12.2021. Published 28.06.2022. (In Russian).
23. Kruger J., du Plessis A., van Zijl G. An investigation into the porosity of extrusion-based 3D printed concrete. Additive Manufacturing. 2021. Vol. 37, 101740. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101740
24. Мухаметрахимов Р.Х. Исследование пластифицирующих добавок на основе эфиров поликарбоксилатов на свойства бетонов, формуемых методом 3D-печати // Строительные материалы и изделия. 2022. № 5 (5). С. 42–58. https://doi.org/10.58224/2618-7183-2022-5-5-42-58
24. Mukhametrakhimov R.Kh. Study of plasticizing additives based on polycarboxylate esters on the properties of concrete molded by 3D printing. Stroitel’nye materialy i izdeliya. 2022. No. 5 (5), pp. 42–58. (In Russian). https://doi.org/10.58224/2618-7183-2022-5-5-42-58
25. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Елистраткин М.Ю., Дребезгова М.Ю., Масалитина С.В. Реологические свойства гипсоцементных вяжущих и формовочных смесей на их основе для 3D-аддитивных технологий строительства // Строительные материалы. 2022. № 8. С. 23–30. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-8-23-30
25. Shatalova S.V., Chernysheva N.V., Elistratkin M.Yu., Drebezgova M.Yu., Masalitina S.V. Rheological properties of gypsum cement binders and molding mixtures based on them for 3D additive construction technologies. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 8, pp. 23–30. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-805-8-23-30
26. Мухаметрахимов Р.Х., Рахимов Р.З., Галаутдинов А.Р., Зиганшина Л.В. Модифицированные гипсоцементно-пуццолановые бетоны для 3D-печати // Строительные материалы. 2024. № 1–2. С. 79–89. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-821-1-2-79-89
26. Mukhametrakhimov R.Kh., Rakhimov R.Z., Galautdinov A.R., Ziganshina L.V. Modified gypsum-cement-pozzolan concrete for 3DCP. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2024. No. 1–2, pp. 79–89. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-821-1-2-79-89
27. Шигапов Р.И., Шигалин Г.Ю., Клюев А.В., Булатов Б.Г., Метлицкая Д.В., Недосеко И.В. Оценка долговечности композиций из сухих смесей на гипсовой и гипсоцементной основе для 3D-печати // Строительные материалы. 2024. № 7. С. 26–32. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-26-32
27. Shigapov R.I., Shagigalin G.Yu., Klyuev A.V., Bulatov B.G., Metlitskaya D.V., Nedoseko I.V. Evaluation of the durability of dry mix compositions based on gypsum and gypsum cement for 3D printing. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2024. No. 7, pp. 26–32. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-826-7-26-32
28. Молодин В.В., Ануфриева А.Е., Навоян А.Х. Форсированный разогрев смеси, как фактор увеличения сцепления бетонов, подвергшихся коррозии // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2020. № 2 (734). С. 56–71. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2020-734-2-56-71
28. Molodin V.V., Anufrieva A.E., Navoyan A.Kh. Forced heating of the mixture as a factor in increasing the adhesion of concrete exposed to corrosion. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel’stvo. 2020. No. 2 (734), pp. 56–71. (In Russian). https://doi.org/10.32683/0536-1052-2020-734-2-56-71
29. Беляков А.Ю., Хохряков О.В., Хозин В.Г. Функ-ционализированный минеральный наполнитель – эффективный модификатор цементныхбетонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № 3 (65). С. 45–56. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_45
29. Belyakov A.Yu., Khokhryakov O.V., Khozin V.G. Functionalized mineral filler is an effective modifier for cement concrete. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. No. 3 (65), pp. 45–56. (In Russian). https://doi.org/10.52409/20731523_2023_3_45
30. Морозова Н.Н., Гуляков Е.Г. Свойства бетона на цеолитсодержащем вяжущем // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. № 2 (64). С. 27–39. https://doi.org/10.52409/20731523_2023_2_27
30. Morozova N.N., Gulyakov E.G. Properties of concrete with zeolite-containing binder. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. No. 2 (64), pp. 27–39. (In Russian). https://doi.org/10.52409/20731523_2023_2_27
31. Смирнов Д.С., Мавлиев Л.Ф., Хузиахметова К.Р., Мотыйгуллин И.Р. Влияние минеральной добавки на основе молотого доменного шлака на свойства бетонов и бетонных смесей // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. № 4 (62). С. 61–69. https://doi.org/10.52409/20731523_2022_4_61
31. Smirnov D.S., Mavliev L.F., Khuziakhmetova K.R., Motyigullin I.R. The influence of a mineral additive based on ground blast furnace slag on the properties of concrete and concrete mixtures. Izestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2022. No. 4 (62), pp. 61–69. (In Russian). https://doi.org/10.52409/20731523_2022_4_61.
32. Marchment T., Sanjayan J. Mesh reinforcing method for 3D Concrete Printing. Automation in Construction. 2020. Vol. 109, pp. 102992. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102992
33. Verian K.P., Ashcroft J., Carli M.D., Bright R.P., Maandi E., Avakian A., Baaklini E. Improving the bonding adhesion of the cold joints of normal and lightweight 3D printing mortars. Second RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication. 2020. Vol. 28, pp. 527–536.
34. Muthukrishnan S., Ramakrishnan S., Sanjayan J. Effect of microwave heating on interlayer bonding and buildability of geopolymer 3D concrete printing. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 265. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120786
35. Патент РФ 2817919. Способ аддитивного производства в строительстве с регулируемой продолжительностью технологического перерыва / Зиганшина Л.В., Мухаметрахимов Р.Х. Заявл. 09.11.2023. Опубл. 23.04.2024.
35. Patent RF 2817919. Sposob additivnogo proizvodstva v stroitel’stve s reguliruemoi prodolzhitel’nost’yu tekhnologicheskogo pereryva [Method of additive manufacturing in construction with adjustable duration of technological breaks]. Ziganshina L.V., Mukhametrakhimov R.Kh. Declared 09.11.2023. Published 23.04.2024. (In Russian).
36. Патент РФ 2820798. Гипсоцементно-пуццолановая сырьевая смесь для аддитивного строительного производства / Мухаметрахимов Р.Х. Заявл. 29.12.2023. Опубл. 10.06.2024.
36. Patent RF 2820798. Gipsotsementno-putstsolanovaya syr’evaya smes’ dlya additivnogo stroitel’nogo proizvodstva [Gypsum cement-pozzolanic raw material mixture for additive construction production]. Mukhametrakhimov R.Kh. Declared 29.12.2023. Published 10.06.2024. (In Russian).