Modified Gypsum-Cement-Pozzolan Concrete for 3DCP

3D concrete printing (3DCP) is an innovative and promising method for constructing buildings and structures. Compositions of fine-grained concrete based on Portland cement are widely used as raw material mixtures in this technology. An alternative to the use of cement binder is the use of gypsum-cement-pozzolan binder, which can significantly reduce the cost of the finished product and, accordingly, increase its competitiveness. The raw material mixtures based on gypsum-cement-pozzolan binder presented on the construction market do not fully meet the requirements of 3DCP. Achieving optimal performance of gypsum-cement-pozzolan mixtures in 3DCP is possible by regulating the content of fine aggregate in the composition of fine-grained concrete, as well as the use of multicomponent modifying additives. The purpose of this work is to develop modified gypsum-cement-pozzolan concretes for 3DCP based on optimization of aggregate content and multifunctional additive, providing optimal rheotechnological properties of raw mixtures and technological characteristics of finished products. The formation of samples during experimental studies was carried out using the layer-by-layer extrusion method on a workshop construction 3D printer “AMT S-6044”. Modified gypsum-cement-pozzolan concretes have been developed for 3DCP with increased ultimate shear stress of the mixture (87.6 Pa), dimensional stability (23 cm), average composite density (1920 g/m3), flexural strength (8.4 MPa) and compression (30.6 MPa) and water resistance (0.85). The possibility of targeted regulation of the structure and properties of gypsum-cement-pozzolan mixtures and concrete due to the synergistic effect of the components of the developed multifunctional complex additive, including an aqueous solution of a polycarboxylate ether, a copolymer based on carboxylic acid esters, and a homogeneous mixture of oligoethoxysiloxanes, has been proven. The results obtained are consistent with the results of the differential thermal analysis of modified gypsum-cement-pozzolanic stone.

R.Kh. MUKHAMETRAKHIMOV, Candidate of Sciences (Engineering) (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.),
R.Z. RAKHIMOV, Doctor of Sciences (Engeneering) (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.),
A.R. GALAUTDINOV, Candidate of Sciences (Engineering) (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.),
L.V. ZIGANSHINA, Candidate of Sciences (Engineering) (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)

1. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П. Аддитивное строительное производство: исследование эффекта анизотропии прочностных характеристик бетона // Строительные материалы. 2022. № 9. С. 18–24. DOI: 10.31659/0585-430X-2022-806-9-18-24
1. Adamtsevich A.O., Pustovgar A.P. Additive manufacturing in construction: the research of the anisotropy concrete strength effect. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 9, pp. 18–24. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-806-9-18-24
2. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А. Аддитивное строительное производство: особенности применения технологии // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 7. C. 70–78. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.07.70-78
2. Adamtsevich A.O., Pustovgar A.P., Adamtsevich L.A. Additive construction production: features of the technology application. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel’stvo. 2023. No. 7, pp. 70–78. (In Russian). DOI: 10.33622/0869-7019.2023.07.70-78
3. Акулова И.И., Славчева Г.С., Макарова Т.В. Технико-экономическая оценка эффективности применения 3D-печати в жилищном строительстве // Жилищное строительство. 2019. № 12. С. 52–56. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
3. Akulova I.I., Slavcheva G.S., Makarova T.V. Technical and economic estimate of efficiency of using 3D printing in housing construction. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2019. No. 12, pp. 52–56. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-12-52-56
4. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адамцевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производства // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
4. 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). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-4-10
5. Мальцева Е.В., Дмитриев А.В. Концепция развития аддитивных технологий в индивидуальном жилом строительстве // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 12–17. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-12-17
5. Maltseva E.V., Dmitriev A.V. The concept of development of additive technologies in individual housing construction. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2023. No. 11, pp. 12–17. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2023-11-12-17
6. Rehman A.U., Birru B.M., Kim J.-H. Set-on-demand 3D Concrete Printing (3DCP) construction and potential outcome of shotcrete accelerators on its hardened properties. Case Studies in Construction Materials. 2023. Vol. 18, pp. e01955. DOI: 10.1016/j.cscm.2023.e01955
7. Li S., Nguyen-Xuan H., Tran P. Digital design and parametric study of 3D concrete printing on non-planar surfaces. Automation in Construction. 2023. Vol. 145, pp. 104624. DOI: 10.1016/J.AUTCON.2022.104624
8. Славчева Г.С., Бритвина Е.А., Шведова М.А., Юров П.Ю. Влияние дозировки и гранулометрии наполнителей на показатели экструдируемости смесей для 3D-печати // Строительные материалы. 2022. № 1–2. С. 21–29. DOI: 10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-21-29
8. Slavcheva G.S., Britvina E.A., Shvedova M.A., Yurov P.Y. Effect of filler and aggregates dosage and particle size range on the 3d-printable mixture extrudability. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 1–2, pp. 21–29. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-21-29
9. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Реологическое поведение дисперсных систем для строительной 3D-печати: проблема управления на основе возможностей арсенала «Нано» // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2018. Т. 10. № 3. С. 107–122. DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122
9. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. The rheological behavior of disperse systems for 3d printing in construction: the problem of control and possibility of «nano» tools application. Nanotekhnologii v stroitel’stve: scientific online journal. 2018. Vol. 10. No. 3, pp. 107–122. (In Russian). DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-3-107-122
10. Мухаметрахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Влияние портландцементов с различным минералогическим составом на основные свойства композитов, сформованных методом послойного экструдирования (3D-печати) // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. № 2 (56). С. 37–49. DOI: 10.52409/20731523_2021_2_37
10. Mukhametrakhimov R.Kh., Ziganshina L.V. Influence of Portland cements with different mineralogical composition on basic properties of 3D-printed composites. Izvestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2021. No. 2 (56), pp. 37–49. (In Russian). DOI: 10.52409/20731523_2021_2_37
11. Bozzano F., Esposito C., Mazzanti P., Innocca F., Romeo S. Urban engineered slope collapsed in Rome on February 14th, 2018: Results from remote sensing monitoring. Journal of Geosciences. 2020. Vol. 10. No. 9. DOI: 10.3390/geosciences10090331
12. Патент РФ 2794037. Способ 3D-печати бетоном с длительным технологическим перерывом / Мухаметрахимов Р.Х., Зиганшина Л.В. Заявл. 01.11.2022. Опубл. 11.04.2023.
12. Patent RF 2794037. Sposob 3D-pechati betonom s dlitel’nym tekhnologicheskim pereryvom [A method for 3D printing concrete with a long technological break]. Mukhametrakhimov R.Kh., Ziganshina L.V. Declared 01.11.2022. Published 11.04.2023. (In Russian)
13. 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. Vol. 6. No. 6. DOI: 10.58224/2618-7183-2023-6-6-5
14. Рязанов А.Н., Шигапов Р.И., Синицин Д.А., Кинзябулатова Д.Ф., Недосеко И.В. Использование гипсовых композиций в технологиях строительной 3D-печати малоэтажных жилых зданий. Проблемы и перспективы // Строительные материалы. 2021. № 8. С. 39–44. DOI: 10.31659/0585-430X-2021-794-8-39-44
14. Ryazanov A.N., Shigapov R.I., Sinitsin D.A., Kinzyabulatova D.F., Nedoseko I.V. The use of gypsum compositions in the technologies of construction 3D printing of low-rise residential buildings. Problems and prospects. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2021. No. 8, pp. 39–44. (In Russian). DOI: 10.31659/0585-430X-2021-794-8-39-44
15. Xue W., Twenda C., Shahria Alam M., Xu L., Wan Z. Experimental study on seepage characteristics and stress sensitivity of desulfurization gypsum based concrete under triaxial stress. Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 24, pp. 6425–6437. DOI: 10.1016/J.JMRT.2023.04.241
16. Fu J., Haeri H., Sarfarazi V., Asgari K., Marji M. F. The shear behaviors of concrete-gypsum specimens containing double edge cracks under four-point loading conditions. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2022. Vol. 119, pp. 103361. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103361
17. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История композиционных минеральных вяжущих веществ. СПб.: Лань, 2023. 268 с.
17. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya kompozitsionnykh mineral’nykh vyazhushchikh veshchestv [History of composite mineral binders]. Saint-Peterburg: Lan’. 2023. 268 p.
18. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И. Состояние и тенденции развития промышленности гипсовых строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 44–46.
18. Rakhimov R.Z., Khaliullin M.I. State and development trends of the gypsum building materials industry. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 44–46. (In Russian).
19. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. История науки и техники. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: Лань, 2022. 528 с.
19. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Istoriya nauki i tekhniki. 3-e izdanie, pererabotannoe i dopolnennoe. [History of science and technology. 3rd edition, revised and expanded]. Saint-Peterburg: Lan’. 2022. 528 p.
20. Chernysheva N., Shatalova S., Lesovik V., Kozlov P. Deformation characteristics of dense and foamed mortars based on cement and gypsum-to-cement binders for 3D printing. Construction and Building Materials. 2023. Vol. 409. 133986. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133986
21. Huang J., Duan B., Cai P., Manuka M., Hu H., Hong Z., Cao R., Jian S., Ma B. On-demand setting of extrusion-based 3D printing gypsum using a heat-induced accelerator. Construction and Building Materials. 2021. Vol. 304. 124624. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124624
22. Chen Y., Li Z., Figueiredo S. C., Çopuroğlu O., Veer F., Schlangen E. Limestone and calcined clay-based sustainable cementitious materials for 3d concrete printing: a fundamental study of extrudability and early-age strength development. Applied Sciences. 2019. Vol. 9. No. 9, pp. 1809. DOI: 10.3390/app9091809
23. Weng Y., Li M., Zhang D., Tan M. J., Qian S. Investigation of interlayer adhesion of 3D printable cementitious material from the aspect of printing process. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 143. 106386. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106386
24. Baduge S.K., 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. 1597–1609. DOI: 10.3390/app9091809
25. Breseghello L., Naboni R. Toolpath-based design for 3D concrete printing of carbon-efficient architectural structures. Additive Manufacturing. 2022. Vol. 56, pp. 102872. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102872
26. Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Глаголев Е.С., Шаталова С.В., Стариков М.С. Формирование свойств композиций для строительной печати // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 6–14. DOI: 10.12737/article_59cd0c57ede8c1.83340178
26. Lesovik V.S., Elistratkin M.Yu., Glagolev E.S., Shatalova S.V., Starikov M.S. Formation of properties of compositions for construction printing. Vestnik of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2017. No. 10, pp. 6–14. (In Russian). DOI: 10.12737/article_59cd0c57ede8c1.83340178
27. Шорстова Е.С., Клюев С.В., Клюев А.В. Фибробетон для 3D-печати // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2019. № 3. С. 22–27. DOI: 10.34031/article_5ca1f6300a4956.62644399
27. Shorstova E.S., Klyuev S.V., Klyuev A.V. Fiber-reinforced concrete for 3D printing. Vestnik of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2019. No. 3, pp. 22–27. (In Russian). DOI: 10.34031/article_5ca1f6300a4956.62644399
28. Potapova E., Guseva T., Shchelchkov K., Fischer H.-B.Mortar for 3D printing based on gypsum binders. Materials Science Forum. 2021. Vol. 1037, pp. 26–31. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.26
29. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Елистраткин М.Ю., Шеремет А.А. Разработ-ка комплексного решения для 3D-печати стеновых конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2022. № 10. С. 8–19. DOI: 10.34031/2071-7318-2022-7-10-8-19
29. Shatalova S.V., Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Elistratkin M.Yu., Sheremet A.A. Development of a comprehensive solution for 3D printing of wall structures. Vestnik of the Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhov. 2022. No. 10, pp. 8–19. (In Russian). DOI: 10.34031/2071-7318-2022-7-10-8-19
30. Dvorkin L.I. The influence of polyfunctional modifier additives on properties of cement-ash fine-grained concrete. Magazine of Civil Engineering. 2020. Vol. 93. No. 1, pp. 121–133. DOI: 10.18720/MCE.93.10
31. Демьяненко О.В., Куликова А.А., Копаница Н.О. Оценка влияния комплексной полифункциональной добавки на эксплуатационные характеристики цементного камня и бетона // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 5. С. 139–152. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-5-139-152
31. Demyanenko O.V., Kulikova A.A., Kopanitsa N.O. Assessment of the influence of a complex multifunctional additive on the performance characteristics of cement stone and concrete. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2020. Vol. 22. No. 5, pp. 139–152. (In Russian). DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-5-139-152
32. Вдовин Е.А., Буланов П.Е., Строганов В.Ф. Повышение характеристик дорожных цементогрунтов кремнийорганическими соединениями // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 66. № 4. С. 301–309. DOI: 10.52409/20731523_2023_4_301
32. Vdovin E.A., Bulanov P.E., Stroganov V.F. Improving the characteristics of road soil-cement with organosilicon compounds. Izvestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2023. Vol. 66. No. 4, pp. 301–309. (In Russian). DOI: 10.52409/20731523_2023_4_301
33. Батова М.Д., Жукова Н.С., Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Шайбадуллина А.В., Эльрефаи  А.Э.М.М., Орбан З. Гипсовые материалы, модифицированные комплексной добавкой на основе наносилики // Строительные материалы. 2022. № 4. С. 64–71. DOI: 10.31659/0585-430X-2022-801-4-64-71
33. Batova М.D., Zhukova N.S., Gordina А.F., Yakovlev G.I., Shaibadullina A.V., Elrefai А.E.М.М., Orban Z. Gypsum materials modified with complex additive based on nanosilica. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 4, pp. 64–71. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-801-4-64-71
34. Новиченкова Т.Б., Петропавловская В.Б., Белов Д.В. Повышение водостойкости гипсовых материалов за счет применения комплексной добавки извести и метакаолина. Саморазвивающаяся среда технического вуза: научные исследования и экспериментальные разработки. Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. Тверь, 20 февраля 2020. С. 113–121.
34. Novichenkova T.B., Petropavlovskaya V.B., Belov D.V. Increasing the water resistance of gypsum materials through the use of a complex additive of lime and metakaolin. Self-developing environment of a technical university: scientific research and experimental development. Materials of the IV All-Russian Scientific and Practical Conference. Tver. 20 February 2020, pp. 113–121. (In Russian).
35. Шведова М.А., Артамонова О.В. Особенности формирования цементных композиционных материалов при микро- и наномодифицировании
многокомпонентными добавками // Химия, физика и механика материалов. 2021. № 4 (31). С. 4–29.
35. Shvedova M.A., Artamonova O.V. Features of the formation of cement composite materials during micro- and nanomodification with multicomponent additives. Khimiya, fizika i mekhanika materialov. 2021. No. 4 (31), pp. 4–29. (In Russian).
36. Зиганшина Л.В. Мелкозернистые бетоны в технологии аддитивного производства (3D-печати): Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2022. 282 с.
36. Ziganshina L.V. Fine-grained concrete in additive manufacturing technology (3DCP). Cand. Diss. (Engineering). Kazan. 2022. 282 p. (In Russian)
37. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Комплексная добавка для повышения эффективности гипсоцементнопуццоланового вяжущего // Строительные материалы. 2016. № 8. С. 70–73.
37. Izotov V.S., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R. Complex additive to increase the efficiency of gypsum-cement-pozzolanic binder Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 8, pp. 70–73. (In Russian).
38. Галаутдинов А.Р., Мухаметрахимов Р.Х. Повышение водостойкости гипсоцементно-пуццоланового вяжущего на основе низкомарочного гипса // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 4 (38). С. 333–343.
38. Galautdinov A.R., Mukhametrakhimov R.Kh. Increasing the water resistance of gypsum-cement-pozzolanic binder based on low-quality gypsum. Izvestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2016. No. 4 (38), pp. 333–343. (In Russian).
39. Патент РФ 2552274. Способ приготовления гипсоцементно-пуццолановой композиции / Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Заявл. 14.04.2014. Опубл. 10.06.2015.
39. Patent RF 2552274. Sposob prigotovleniya gipsotsementno-putstsolanovoi kompozitsii [Method for preparing gypsum cement-pozzolanic composition]. Izotov  V.S., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdi-nov  A.R. Declared 14.04.2014. Published 10.06.2015. (In Russian).
40. Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Полифункциональный химический модификатор гипсоцементных композиций // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 11 (74). С. 17–25. DOI: 10.18720/CUBS.74.2
40. Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R. Multi-functional chemical modifier for gypsum cement compositions. Stroitel’stvo unikal’nykh zdanii i sooruzhenii. 2018. No. 11 (74), pp. 17–25. (In Russian). DOI: 10.18720/CUBS.74.2