Химични добавки за печатаем бетон

Химичните добавки са това, което изобщо прави един разтвор печатаем. Дозирани в порядъка на части от процента от масата на свързващото вещество, те определят поотделно колко добре са диспергирани циментовите зърна, колко вискозна и свързана е пастата и колко бързо материалът се уплътнява след полагане. Точно това разделяне е същественото: положената лента трябва да е достатъчно подвижна, за да измине няколко метра маркуч, и достатъчно стабилна, за да поеме следващите слоеве минути по-късно, а едно водно съдържание не може да изпълни и двете условия. Добавките решават това противоречие и именно затова са най-чувствителната част от състава — малка грешка в дозирането се проявява като пропаднала стена, запушен маркуч или студена фуга.

Какво е това и защо е важно

Суперпластификаторите (силно водоредуциращи добавки) са основата на всяка печатаема смес с ниско водоциментово отношение. Съвременните продукти са поликарбоксилатни етери (PCE) — гребеновидни полимери със заредена основна верига, която се адсорбира върху циментовите зърна, и дълги странични вериги, които държат съседните зърна раздалечени чрез стерично препятствие. Разрушаването на флокулите освобождава водата, затворена в тях, така че същата смес тече при значително по-ниско водно съдържание. По-старите химии — лигносулфонати, нафталин- и меламинсулфонатни кондензати — действат основно чрез електростатично отблъскване, по-малко ефективни са на единица маса и често имат странични ефекти като въздухововличане или забавяне. За печата е съществено, че суперпластификаторите намаляват границата на провлачане много повече, отколкото пластичния вискозитет. Това е полезно, защото именно границата на провлачане се преодолява при изпомпване и екструдиране, но означава и че леко предозирана смес губи способността си да стои изправена доста преди да изглежда водниста. Предозирането води до водоотделяне, разслояване и силно забавяне. Другата опасност е съвместимостта: поведението на PCE зависи от сулфатния баланс на цимента, а глината в пясъка адсорбира PCE предпочитано, така че малко глинесто замърсяване може да погълне по-голямата част от дозата.

Добавките за вискозитет (VMA) изпълняват допълващата роля. Целулозните етери, веланова и диутанова гума и нишестените производни сгъстяват водната фаза, задържат вода срещу засмукване от попиваща основа и повишават свързаността на сместа. В печатаем разтвор такава добавка потиска водоотделянето и разслояването при високи дози суперпластификатор, запазва формата на лентата след екструдиране и по правило повишава тиксотропията — обратимото структурно нарастване на коравината в покой между отделните обиколки.

Ускорителите се делят на две групи, които често се смесват понятийно. Ускорителите на свързване съкращават индукционния период и приближават началото на свързване; ускорителите на втвърдяване повишават главно ранната якост, без да местят съществено времето на свързване. В литературата за 3D печат се срещат калциеви продукти, безалкални ускорители на основата на алуминиев сулфат, разработени за пръскан бетон, и суспензии за зародишообразуване на калциево-силикатен хидрат. Най-важна за печата е схемата ускорение при поискване: ускорителят се впръсква и смесва в разтвора при или непосредствено преди дюзата, така че материалът преди нея запазва дълго отворено време, а положеният слой се стабилизира веднага. Хлоридните ускорители са неподходящи навсякъде, където има стоманена армировка или вграден метал.

Забавителите и добавките за контрол на хидратацията — захари и техни производни, фосфонати, глюконати — действат обратно: удължават отвореното време, поддържат сместа работоспособна при дълъг печат и стабилизират останалия материал, така че той да може да бъде реактивиран, вместо изхвърлен.

Накратко, в печатаеми смеси се срещат и други семейства: въздухововличащи добавки за устойчивост на замразяване и размразяване, добавки срещу съсъхване, които понижават повърхностното напрежение на поровия разтвор, интегрални хидрофобизатори за открити елементи и нанодобавки — атапулгитова или сепиолитова наноглина и наносилициев диоксид — използвани целенасочено за повишаване на тиксотропията и ранното структурно нарастване без промяна на водното съдържание.

Семействата си взаимодействат. Забавителят може да потисне действието на ускорител, дозиран по-надолу по веригата; добавката за вискозитет може да прикрие разслояване от предозиран суперпластификатор, като същевременно вдигне налягането при изпомпване; наноглината може да поеме част от дозата суперпластификатор. Затова единственият надежден подход е изпитване за съвместимост с конкретния цимент, конкретния пясък и конкретните партиди добавки, повторено при всяка промяна на който и да е от трите компонента.

Как се измерва

В Европа добавките се специфицират и оценяват за съответствие по EN 934-2 за бетон и EN 934-3 за зидарски разтвор; северноамериканските еквиваленти са ASTM C494 за химични добавки и ASTM C1017 за добавки за течащ бетон. Тези стандарти определят какво трябва да постига продуктът, за да бъде обозначен като даден тип, но не казват как ще се държи в конкретната смес.

За работа на ниво смес обичайният набор е: разстилаемост на разтърсваща маса по EN 1015-3 и мини-конус за проследяване на диспергирането и реакцията към дозата във времето; игла на Вика по EN 196-3 за начало и край на свързване; ротационна или лопаткова реометрия за граница на провлачане и пластичен вискозитет, която е изследователски метод, а не обектно изпитване; и изотермична калориметрия, за да се види как ускорителят или забавителят измества кривата на топлината на хидратация. Повтарянето на измерването на разстилаемост през определени интервали след смесване дава кривата на загуба на подвижност, която често е по-информативна от всяка отделна стойност. Определянето на насищащата доза — разстилаемост срещу доза суперпластификатор, докато кривата се изравни — е стандартният начин да се намери работният прозорец и точката, отвъд която единственият ефект е забавяне и разслояване.

Типични стойности

Всички стойности по-долу са ориентировъчни, както се съобщават в общата литература за бетон и за 3D печат и в техническата документация на производителите. Те не са измервания на Concreef и не представляват спецификация.

Диапазони с такава широчина са само ориентир. Публикуваните изследвания се разминават, защото циментът, финните фракции и температурата са различни, затова работната доза за дадена смес се намира експериментално.

Какво го променя

Химията на цимента е водещият фактор: съдържанието на C3A, количеството и формата на разтворимия сулфат и алкалното съдържание определят колко суперпластификатор се адсорбира и колко бързо сместа се втвърдява. Заместващите свързващи материали изместват картината още веднъж — летящата пепел често намалява необходимата доза, докато калцинираната глина и силикатният прах я повишават заради финеса и повърхностната си химия. Пясъкът има по-голямо значение, отколкото обикновено се предполага: съдържанието на фини частици, формата на зърната и особено глинестото замърсяване консумират суперпластификатор. Температурата ускорява хидратацията и скъсява ефективния прозорец на дозиране, така че доза, настроена в хладен цех, може да е грешна през лятото. Енергията на смесване и редът на добавяне променят ефективността на диспергиране; добавянето на суперпластификатор с първата вода обикновено е по-малко ефективно от отложеното добавяне. Накрая, срокът на съхранение и замразяването влошават някои продукти.

Типични дефекти и причини

Характерните повреди се разпознават лесно. Разслояване и водоотделяне — воден филм върху лентата, утаяване на зърната, слаби междуслойни контакти — обикновено означава предозиран суперпластификатор или небалансирана добавка за вискозитет. Нежелано забавяне, при което печатът не набира коравина и долните слоеве се деформират, идва типично от предозиран суперпластификатор или забавител или от несъвместима двойка цимент–добавка. Бърза загуба на подвижност, при която сместа става неизпомпваема за минути, сочи към ниска доза, глина в пясъка или прегрята смес. Запушване на дюзата и скокове на налягането следват от прекалено сгъстена смес или от ускорител, дозиран твърде далеч преди дюзата. Студени фуги се появяват, когато стратегията за контрол на хидратацията не сработи и слоят се втвърди отвъд момента, в който следващият може да се свърже с него. Разликите между партидите почти винаги са проблем на точността на дозиране: при дози под един процент от масата на свързващото, везна с недостатъчна разделителна способност внася повече разсейване от всяка промяна в материала.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София. Тя провежда изпитвания на материали в работилницата си в София на принтер Crane WASP, в момента печата с търговски премикс и разработва собствена суха смес. Тъй като премиксът пристига с вече вграден пакет от добавки, практиката в цеха засега се свежда по-скоро до спазване на предписаното от доставчика водно съдържание и процедура на смесване, отколкото до отделно дозиране на химикали — основните променливи, които екипът управлява, са водата, времето на смесване и температурата на средата, а те определят как премиксът се държи в маркуча и върху стената.

Разработването на собствена суха смес превръща пакета от добавки в изричен инженерен въпрос: избор на суперпластификатор, съвместим с наличния на местния пазар цимент, решение дали свързаността да идва от добавка за вискозитет или от финните фракции, и решение дали отвореното време да се управлява чрез забавяне преди помпата, чрез ускорител при дюзата или просто чрез по-бърз печат. Concreef няма публикувани изпитвателни данни и не представя нито една доза, съотношение или показател като собствен резултат. Всичко на тази страница произтича от стандарти и публикувана литература, а всеки вътрешен извод би изисквал собствена програма от изпитвания, преди да бъде твърдян като факт.