Изучение влияния различных дозировок гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) на печатаемость, реологические и механические свойства раствора для 3D-печати позволило определить оптимальную дозировку ГПМЦ и проанализировать механизм ее влияния в сочетании с микроскопической морфологией. Результаты показывают, что текучесть раствора уменьшается с увеличением содержания ГПМЦ, то есть экструдируемость снижается с увеличением содержания ГПМЦ, но способность к сохранению текучести улучшается. Экструдируемость, скорость сохранения формы и сопротивление проникновению под собственным весом значительно увеличиваются с увеличением содержания ГПМЦ, то есть с увеличением содержания ГПМЦ улучшается штабелируемость и увеличивается время печати; с точки зрения реологии, с увеличением содержания ГПМЦ значительно увеличиваются кажущаяся вязкость, предел текучести и пластическая вязкость суспензии, а также улучшается штабелируемость; тиксотропия сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением содержания ГПМЦ, а также улучшается печатаемость. Увеличение содержания HPMC приведет к повышению пористости и прочности раствора. Рекомендуется, чтобы содержание HPMC не превышало 0,20%.
В последние годы технология 3D-печати (также известная как «аддитивное производство») быстро развивается и широко используется во многих областях, таких как биоинженерия, аэрокосмическая промышленность и художественное творчество. Бесформенный процесс 3D-печати значительно улучшил гибкость проектирования материалов и конструкций, а автоматизированный метод строительства не только значительно экономит трудозатраты, но и подходит для строительных проектов в различных суровых условиях. Сочетание технологии 3D-печати со строительной отраслью является инновационным и перспективным. В настоящее время наиболее распространенными процессами 3D-печати цементных материалов являются экструзионная послойная печать (включая контурную обработку) и печать бетоном с порошковым соединением (D-образный процесс). Среди них экструзионная послойная печать имеет преимущества, заключающиеся в малом отличии от традиционного процесса формования бетона, высокой реализуемости крупногабаритных компонентов и низких строительных затратах. Недостатки стали одним из главных направлений исследований в области 3D-печати цементных материалов.
Для цементных материалов, используемых в качестве «чернил» для 3D-печати, требования к их эксплуатационным характеристикам отличаются от требований к обычным цементным материалам: с одной стороны, существуют определенные требования к удобоукладываемости свежеприготовленных цементных смесей, а также к плавному экструзионному процессу; с другой стороны, экструдированный цементный материал должен быть штабелируемым, то есть не должен разрушаться или деформироваться под действием собственного веса и давления верхнего слоя. Кроме того, процесс ламинирования при 3D-печати приводит к тому, что между слоями образуются стыки, что обеспечивает хорошие механические свойства межслойной области, а также хорошую адгезию. Таким образом, проектирование материалов, обладающих экструдируемостью, штабелируемостью и высокой адгезией, осуществляется одновременно. Цементные материалы являются одним из необходимых условий для применения технологии 3D-печати в строительстве. Регулировка процесса гидратации и реологических свойств цементных материалов — два важных способа улучшения вышеуказанных характеристик печати. Регулирование процесса гидратации цементных материалов — сложная задача, которая легко может привести к таким проблемам, как засорение труб; регулирование реологических свойств требует поддержания текучести в процессе печати и скорости формирования структуры после экструзионного формования. В современных исследованиях для регулирования реологических свойств цементных материалов с целью достижения лучших результатов печати часто используются модификаторы вязкости, минеральные добавки, наноглины и т.д.
Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) — распространенный полимерный загуститель. Гидроксильные и эфирные связи в молекулярной цепи могут связываться со свободной водой посредством водородных связей. Введение ГПМЦ в бетон может эффективно улучшить его сцепление и водоудержание. В настоящее время исследования влияния ГПМЦ на свойства цементных материалов в основном сосредоточены на ее влиянии на текучесть, водоудержание и реологию, и мало исследований посвящено свойствам цементных материалов, используемых для 3D-печати (таким как экструдируемость, штабелируемость и т. д.). Кроме того, из-за отсутствия единых стандартов для 3D-печати метод оценки пригодности цементных материалов для печати еще не разработан. Штабелируемость материала оценивается по количеству печатных слоев со значительной деформацией или максимальной высоте печати. Вышеуказанные методы оценки обладают высокой субъективностью, низкой универсальностью и громоздкостью. Метод оценки эксплуатационных характеристик имеет большой потенциал и ценность в инженерном применении.
В данной работе в цементные материалы были введены различные дозировки HPMC для улучшения пригодности раствора для 3D-печати, и влияние дозировки HPMC на свойства раствора, полученного методом 3D-печати, было всесторонне оценено путем изучения пригодности для печати, реологических и механических свойств. На основе таких свойств, как текучесть, на основе результатов оценки был выбран раствор, смешанный с оптимальным количеством HPMC, для проверки возможности печати, и были протестированы соответствующие параметры напечатанного изделия; на основе изучения микроскопической морфологии образца был исследован внутренний механизм изменения характеристик печатного материала. Одновременно был разработан комплексный метод оценки пригодности цементного материала для 3D-печати с целью содействия применению технологии 3D-печати в строительстве.
Дата публикации: 27 сентября 2022 г.