Adding zeolite to multi-component fine-grain concrete used for 3D construction printing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Requirements, applied to materials used for 3D construction printing, can be met by adding modifiers at the stage of designing fine-grained concrete compositions. Natural zeolites can be considered highly effective finely dispersed additives capable of adjusting properties of concrete mixtures, that are particularly relevant for remote development areas having deposits of this mineral raw material.Materials and methods. Research works and experimental data are reviewed to analyze the use of zeolites as a mineral additive in construction. Zeolites can partially, to different extents, replace cement in concrete to optimally meet the requirements of construction 3D printing. The setting time, the density and the dynamic shear stress of various compositions of concrete mixtures, as well as the density, ultimate compressive and bending strength values were determined for mature concrete. Results of strength and calorimetric testing were used to evaluate the activity of zeolite.Results. The best performance was demonstrated by the specimens with 5–15 % zeolite content by the cement weight. The information is provided about the time it takes for the density of concrete mixture to become critical to ensure its suitability for a 3D printer, which is reduced by 60 to 80 minutes for compositions with the 5–15 % zeolite content compared to the controlling composition, provided that and the mixture suitability period can be optimized by choosing the concentration of zeolite. The initial density of the concrete mixture, evaluated using the Vicat cone penetrometer, did not demonstrate any great changes when the share of zeolite was increased.Conclusions. Zeolite improves mechanical characteristics of fine-grained concrete and adjusts the setting time depending on the concentration of the mineral filler. Hence, zeolite can be considered as an effective component of concretes suitable for additive technologies.

About the authors

A. D. Kogai

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: ad.kogai@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1635-9371

A. V. Puzatova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: asharanova@kantiana.ru
ORCID iD: 0000-0002-3798-4969

M. A. Dmitrieva

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: admitrieva@kantiana.ru
ORCID iD: 0000-0002-9593-8653

V. N. Leitsin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: vleitsin@kantiana.ru
ORCID iD: 0000-0002-6140-256X

References

  1. Hadbaatar A., Mashkin N.A., Stenina N.G. Study of ash-slag wastes of electric power plants of Mongolia applied to their utilization in road construction // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 1558–1562. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.111
  2. Tak S., Gupta P., Kumar A., Sofi A., Yun C.M. Effect of using silica fume as a partial replacement of cement in concrete // Materials Today: Proceedings. 2023. doi: 10.1016/j.matpr.2023.04.205
  3. Du H., Dai Pang S. High-performance concrete incorporating calcined kaolin clay and limestone as cement substitute // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 264. P. 120152. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120152
  4. Канесса Э., Фонда К., Зеннаро Г. Доступная 3D-печать для науки, образования и устойчивого развития. Международный центр теоретической физики Абдус Салам, 2013. 192 с.
  5. Демьяненко О.В., Копаница Н.О., Сорокина Е.А. Влияние добавки термомодифицированного торфа на технологические свойства строительных смесей для 3D-печати // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. Т. 20. № 4. С. 122–134. doi: 10.31675/1607-1859-2018-20-4-122-134. EDN XWCDCP.
  6. Panda B., Bhagath Singh G.V.P., Unluer C., Tan M.J. Synthesis and characterization of one-part geopolymers for extrusion based 3D concrete printing // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 220. Pp. 610–619. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.02.185
  7. Khan S.A., Koç M., Al-Ghamdi S.G. Sustainability assessment, potentials and challenges of 3D printed concrete structures : a systematic review for built environmental applications // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 303. P. 127027. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.127027
  8. Муминов С.З. Исследования в области термодинамики и термохимии адсорбции на глинистых минералах. Ташкент : Фан, 1987. 144 с.
  9. Васильянова Л.С., Лазарева Е.А. Цеолиты в экологии // Новости науки Казахстана. 2016. № 1 (127). С. 61–85. EDN XUOOGT.
  10. Тотурбиев Б.Д. Природные цеолиты — эффективные минералы для изготовления строительных материалов // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2012. № 58. С. 47–51.
  11. Красный Л.И., Морозов А.Ф., Петров О.В. Геология и полезные ископаемые России. СПб., 2000. Т. 1. 552 с.
  12. Побережный С.К., Комовников Б.К. Доклад об экологической обстановке в Калининградской области в 2012 году. Калининград, 2013. 204 с.
  13. Лукьянова Н.В., Богданов Ю.Б., Васильева О.В., Варгин Г.П. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Серия Центрально-Европейская. Лист N-(34). Калининград. Объяснительная записка. СПб. : Картфабрика ВСЕГЕИ, 2011. 226 с.
  14. Морозова Н.Н., Кайс Х.А. О роли природного цеолита на прочность мелкозернистого бетона // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. № 10. С. 64–68. EDN VXPEOR.
  15. Потапова Л.И., Кайс Х.А. Защитные свойства бетона с природным цеолитом по отношению к стальной арматуре // Инновационная наука. 2016. № 6–2. С. 132–134. EDN WCFMGR.
  16. Rahul P., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Durability assessment of Self-Curing high performance concretes containing zeolite admixture // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 60. Pp. 502–507. doi: 10.1016/j.matpr.2022.01.352
  17. Zheng X., Zhang J., Ding X., Chu H., Zhang J. Frost resistance of internal curing concrete with calcined natural zeolite particles // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 288. P. 123062. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123062
  18. Dabbaghi F., Sadeghi-Nik A., Ali Libre N., Nasrollahpour S. Characterizing fiber reinforced concrete incorporating zeolite and metakaolin as natural pozzolans // Structures. 2021. Vol. 34. Pp. 2617–2627. doi: 10.1016/j.istruc.2021.09.025
  19. Das M., Adhikary S.K., Rudzionis Z. Effectiveness of fly ash, zeolite, and unburnt rice husk as a substitute of cement in concrete // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 61. Pp. 237–242. doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.005
  20. Sai Teja G., Ravella D.P., Chandra Sekhara Rao P.V. Studies on self-curing self-compacting concretes containing zeolite admixture // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 43. Pp. 2355–2360. doi: 10.1016/j.matpr.2021.01.682
  21. Madhuri P.V., Kameswara Rao B., Chaitanya A. Improved performance of concrete incorporated with natural zeolite powder as supplementary cementitious material // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 47. Pp. 5369–5378. doi: 10.1016/j.matpr.2021.06.089
  22. Erfanimanesh A., Sharbatdar M.K. Mechanical and microstructural characteristics of geopolymer paste, mortar, and concrete containing local zeolite and slag activated by sodium carbonate // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 32. P. 101781. doi: 10.1016/j.jobe.2020.101781
  23. Najimi M., Sobhani J., Ahmadi B., Shekarchi M. An experimental study on durability properties of concrete containing zeolite as a highly reactive natural pozzolan // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 35. Pp. 1023–1033. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2012.04.038
  24. Макаров Ю.А., Терешкин И.П., Лукашина С.В. Возможность использования природных цеолитов в качестве минеральной добавки для бетона // Научный альманах. 2015. № 8 (10). С. 852–855. doi: 10.17117/na.2015.08.852. EDN ULGTDF.
  25. Ланкин С.В. Особенности прочности бетона, наполненного цеолитами // Проблемы экологии Верхнего Приамурья. 2014. Т. 16. С. 10–17. EDN SYQQKP.
  26. Моргун А.Н. Морозостойкость бетона, способы ее повышения // Наука, техника и образование. 2015. № 7 (13). С. 101-105.
  27. Li J., Wu Z., Shi C., Yuan Q., Zhang Z. Durability of ultra-high performance concrete : a review // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 255. P. 119296. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119296
  28. Kashani A., Ngo T. Production and placement of self-compacting concrete // Self-Compacting Concrete: Materials, Properties and Applications. 2020. Pp. 65–81. doi: 10.1016/b978-0-12-817369-5.00003-9
  29. Sharanova A., Dmitrieva M. Selection of compositions for additive technologies in construction // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 06018. doi: 10.1051/e3sconf/20199706018
  30. Lootens D., Jousset P., Martinie L., Roussel N., Flatt R.J. Yield stress during setting of cement pastes from penetration tests // Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39. Issue 5. Pp. 401–408. doi: 10.1016/j.cemconres.2009.01.012
  31. Адамцевич А.О., Пашкевич С.А., Пустовгар А.П. Использование калориметрии для прогнозирования роста прочности цементных систем ускоренного твердения // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 3 (38). С. 36–42. doi: 10.5862/MCE.38.5. EDN PZETSX.
  32. Sharanova A.V., Lenkova D.A., Panfilova A.D. Study of strength kinetics of sand concrete system of accelerated hardening // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 347. P. 012014. doi: 10.1088/1757-899X/347/1/012014
  33. Linderoth O., Wadsö L., Jansen D. Long-term cement hydration studies with isothermal calorimetry // Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 141. P. 106344. doi: 10.1016/j.cemconres.2020.106344

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».