КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-19-00280
НазваниеРазработка принципов создания армированных композитов для строительных 3D-аддитивных технологий на основе моделирования и экспериментального изучения механического поведения и свойств
Руководитель Славчева Галина Станиславовна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет» , Воронежская обл
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые слова Строительная 3D-печать, 3D-печатные композиты, реология дисперсных систем, модифицирование структуры, армирование, параметры сцепления, численное моделирование, механическое поведение
Код ГРНТИ67.15.63
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение актуальной фундаментальной проблемы разработки научных принципов и технических решений создания нового класса строительных материалов - армированных высокопрочными волокнами цементных композитов, полученных по экструзионной технологии 3D-печати, на основе моделирования и экспериментального изучения их механического поведения, комплекса физико-механических свойств и технологических режимов печати.
Актуальность исследований определяется тем, что развитие аддитивных технологий 3D-печати в строительстве полностью соответствует реализации приоритета 20а Стратегии научно-технологического развития РФ, так как является цифровой , роботизированной, интеллектуальной производственной технологией. Одновременно согласно постановлению правительства РФ от 14.07.2021 г. об утверждении «Стратегии развития аддитивных технологий в РФ на период до 2030 г.» строительная 3D-печать как «автоматизированное возведение жилых домов, зданий и других объектов, а также изделий строительного назначения» включена в перечень ключевых мероприятий для развития Стратегии.
Обеспечить реализацию потенциала данных технологий невозможно без создания нового класса строительных композитов, адаптированных к технологическим условиям 3D-печати и, одновременно, обладающих комплексом физико-механических свойств для работы в тонких слоях 3D-печатных конструкций.
Проект направлен на создание композитов, отвечающих этим требованиям. В результате реализации проекта будут решены следующие задачи:
- разработаны теоретические подходы и технические решения по управлению прочностью сцепления «алюмосиликатная (цементная) матрица – армирующее волокно» в элементарной ячейке композита в зависимости 1) от состава, вязко-пластических свойств смеси и физико-механических свойств матрицы после ее затвердевания; 2) от вида, диаметра и физико-механических свойств армирующих волокон;
- оптимизированы состав и структура конструкционных строительных армокомпозитов для 3D-печати на основании численного моделирования структуры и экспериментального изучения закономерностей механического поведения в зависимости от вариантов сочетания: "вид, геометрия слоя алюмосиликатной (цементной) матрицы – вид, диаметр, количество, размещение в матрице армирующих волокон";
- разработана научная концепция проектирования состава и структуры слоистых 3D-печатных армокомпозитов с заданными физико-механическими свойствами и физико-климатической стойкостью, обоснованы технические решения по их получению
Особенность армированных конструкционных композитов для экструзионной строительной 3D-печати будет состоять в том, что жесткая алюмосиликатная (на основе цемента и наполнителей различного состава и дисперсности) матрица в процессе печати будет армироваться волокнами с высокой прочностью на растяжение. Результат планируется обеспечить за счет рационального сочетания в структуре слоистого печатного композита вида и геометрии слоя матрицы на основе цемента и вида, диаметра, количества, расположения армирующих волокон, а также создания прочного адгезионного соединения матрица - волокно.
Научная новизна. Впервые предполагается сформировать теоретические подходы и найти комплексные системные решения по проектированию составов и технологии получения армированных строительных композитов для экструзионной технологии 3D-печати в зависимости от вариантов сочетания «вид, геометрия слоя алюмосиликатной (цементной) матрицы – вид, диаметр, количество и расположение в матрице армирующих волокон» с учетом адгезионной прочности соединения «волокно- матрица», вязко-пластических свойств матрицы в момент экструзии, а также с учетом характеристик прочности и упругости армирующих волокон и затвердевшей матрицы.
В результате впервые будет создан принципиально новый класс строительных композитов на основе алюмосиликатных (цементных) матриц, армированных высокопрочными волокнами, отличающихся возможностью их получения по технологии экструзионной строительной 3D-печати со следующим комплексом физико-механических свойств: прочность на сжатие не менее 80-100 МПа, на растяжение не менее 40 МПа, модуль упругости не менее 50 ГПа, высокая трещиностойкость и физико-климатическая стойкость (морозостойкость не менее 200 циклов, водопоглощение менее 2%, деформативность при изменении влагосодержания не более 0,5 мм/м).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Разработка принципов создания армированных композитов для строительных 3D-аддитивных технологий Строительные материалы (год публикации - 2022)
2. Славчева Г.С., Артамонова О.В., Шведова М.А., Бабенко Д.С. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ, СХВАТЫВАНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ МИКРОЗЕРНИСТЫХ ЦЕМЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ 3D-ПЕЧАТИ ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СТРОИТЕЛЬСТВО (год публикации - 2022)
Публикации
1.
Г.С.Славчева, А.В.Левченко, М.А.Шведова, Д.Р.Карасчи-огли, Д.С.Бабенко, П.Ю.Юров
The effect of hollow structure parameter on the 3d-printed wall bearing capacity. Experimental model
International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, No19(2), P. 31–41 (год публикации - 2023)
10.22337/2587-9618-2023-19-2-31-41
2.
Славчева Г. С. , Артамонова,О. В. Бабенко Д. С., ШведоваМ. А.
Studying the effect of modifying additives on the hydration and hardening of cement composites for 3D printing
Kondensirovannye Sredy Mezhfaznye Granitsy, №5(1), P. 112–124. (год публикации - 2023)
10.17308/kcmf.2023.25/10979
3.
Славчева Г.С., Артамонова О.В., Котова К.С., Шведова М.А., Юров П.Ю.
Study of the strength regulation factors for the adhesive bonding “cement matrix – reinforcing fiber” in composites for 3D-build printing
NANOTECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION-A SCIENTIFIC INTERNET-JOURNAL, No 15(2), P. 124–133. (год публикации - 2023)
10.15828/2075-8545-2023-15-2-124-133
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
https://gisnauka.ru/global-search.
Разработана научная концепции проектирования структуры слоистых 3D-печатных армокомпозитов, основанная на том, что их структура рассматривается как система «цементная матрица + армирующее волокно», одновременно отличающаяся слоистостью. Основные принципы проектирования включали: моделирование материала (микроструктурное моделирование, гомогенизация, учет повреждаемости), моделирование геометрии (CAD-моделирование, создание топологии).
Разработана численная модель механического поведения армированных 3D-печатных композитов методом конечных элементов (МКЭ) в ANSYS Mechanical для 4 видов напряженного состояния, выполнена верификация результатов численного эксперимента на выборочных вариантах состава и структуры слоистых композитов.
В результате реализации численных экспериментов (144 варианта расчета) было определено оптимальное сочетании геометрии слоя (толщины), вида и количества армирующих волокон с целью обеспечения наилучших прочностных характеристик при различных схемах нагружения
Выполнены экспериментальные исследования и установлены требования к режимам печати и твердения 3D-печатных композитов.
Для оперативного контроля процесса 3D-печати обоснован критериальный показатель технологичности смеси, разработан метод его контроля. Разработан, изготовлен и апробирован прибор оперативного контроля пластичности. Определена зависимость изменения во времени технологических свойств смеси (по показателю пластичности) в зависимости от температуры (5 - 35 оС), времени выдержки; установлена взаимосвязь между пластичностью смеси и прочностью сцепления слоев, а также комплексом прочностных характеристик напечатанного композита. На основании этого определены требования к оптимальному диапазону значений пластической прочности смеси (0.8-1,8 кПа). Установлен критический временной промежуток между укладкой слоев 15 мин, после которого прочность сцепления слоев критически снижается.
Выполнена комплексная оценка механических свойств и физико-климатической стойкости слоистых 3D-печатных армокомпозитов.
Количественно оценены и ранжированы по значимости основные принципы и факторы управления свойствами армокомпозитов.
1. Прочность и модуль упругости при сжатии определяется свойствами алюмосиликатной (цементной матрицы). Для обеспечения заданных показателей заданных показателей по прочности и модулю упругости при сжатии соотношение прочность матрицы к прочности слоистого композита должно быть в диапазоне 1,2-1,3; пластическая прочность смеси – в диапазоне 0.8-1,8 кПа.
2. Прочность при растяжении и изгибе определяется тремя факторами: прочность и деформативность армирующих элементов, относительная площадь (%) армирования слоя, прочность сцепления на границе «цементная матрица – армирующий элемент». Площадь (%) армирования слоя для обеспечения задаваемой прочности определяется исходя из прочности на растяжение армирующих элементов, с ее возрастанием требуемый % армирования слоя уменьшается. Реализация прочностного потенциала арматуры в структуре композита обеспечивается при условии, если прочность сцепления на границе «цементная матрица – армирующий элемент» будет выше прочности при растяжении цементной матрицы.
3. Физико-климатическая стойкость определяется составом и структурой алюмосиликатной (цементной матрицы) и не зависит от вида, геометрии армирующих элементов, % армирования слоя.
Обоснованы технические требования к вариантам составов и структур слоистых армированных композитов с заданными прочностными характеристиками и физико-климатической стойкостью: прочность на сжатие 35-65 МПа, на растяжение при изгибе 8-20 МПа, модуль упругости 25-40 ГПа, морозостойкость 200 циклов, водопоглощение 2-8 %, коэффициент размягчения 0,9-0,95; при изменении влагосодержания коэффициент усадки 0,02-0,05; коэффициент набухания 0,02-0,03.
Публикации
1.
Славчева Г., Артамонова О., Котова К., Шведова М., Юров П.
Pull-out behaviour of steel and carbon fibers in 3D-printable cement matrices of various compositions
Construction and Building Materials, №411, P. 134784 (год публикации - 2024)
10.1016/j.conbuildmat.2023.134784
2.
Славчева Г., Левченко А., Шведова М., Каракчи-Огли Д., Бабенко Д.
Anisotropy in mechanical properties of 3D-printed layered concrete
Magazine of Civil Engineering, №17(3), P. 12708 (год публикации - 2024)
10.34910/MCE.127.8
3.
Славчева Г.С., Артамонова О.В., Котова К.С., Шведова М.А.
Особенности формирования прочности адгезионного соединения «цементная матрица – армирующее волокно» в композитах для строительной 3d-печати (часть 1)
Известия высших учебных заведений. Строительство., №4. С. 68–82. (год публикации - 2024)
10.32683/0536-1052-2024-784-4-68-82
4.
Теличко В., Славчева Г., Левченко А.
Finite elements procedure for modelling mechanichal behaviour of layered 3D printed concrete elements with experimental validation
Journal of Building Pathology and Rehabilitation, № 9, P. 151 (год публикации - 2024)
10.1007/s41024-024-00511-6
5.
Славчева Г.С., Артамонова О.В., Котова К.С., Шведова М.А.
Особенности формирования прочности адгезионного соединения «цементная матрица – армирующее волокно» в композитах для строительной 3d-печати (часть 2)
Известия высших учебных заведений. Строительство., №5. С. 57–68. (год публикации - 2024)
10.32683/0536-1052-2024-785-5-57-68
6.
Славчева Г., Левченко А., Каракчи-Огли Д., Бабенко Д.
Mechanical behaviour feature of 3d-printed reinforced composites
Lecture Notes in Civil Engineering, №. 400. P. 22 - 31 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-47810-9_3
Возможность практического использования результатов
Разработаны новые материалы (армированные композиты) и технологические режимы их изготовления для строительных аддитивных технологий (3D-печати). Данные решения являются
технологическим заделом создания нового типа строительных изделий и конструкций, отличающихся от традиционных пустотелостью, бионическим дизайном с соответствующим снижением их материалоемкости.
Вклад в экономический рост связан с тем, что внедрение аддитивных технологий (3D-печати) в строительную практику обеспечит использование интеллектуальных производственных решений, роботизацию и соответствующее снижение трудоемкости строительных процессов (приоритет 21а СНТР РФ), снижение ресурсоемкости строительной продукции.
Возможность практического использования определяются гибкостью, универсальностью, мобильностью технологии, поэтому перспективно для следующих направлений:
1) гражданское строительство с возможностью реализации принципиально новой типологии конструкций и зданий, объектов функционально-декоративного назначения в том числе при реставрации уникальных объектов архитектурного наследия;
2) специальное строительство, особенно в зонах разрушения, труднодоступных регионах с суровыми климатическими условиями, где отсутствует развитая строительная индустрия и имеется запрос на роботизированные и «безлюдные» технологии (приоритет 21е СНТР РФ).