Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В статье рассмотрены вопросы возможности применения 3-D печати в строительной индустрии. Проведен анализ работ, выполненных по этому направлению в мире. Также представлены основные преимущества такого способа возведения конструкций и зданий в целом. Были проведены экспериментальные исследования с применением компонентов смеси: «Себряковцемент» марки ЦЕМ I 42,5H, тонкомолотый кварцитопесчаник с удельной поверхностью 700 м2/кг с использованием гипса. В качестве мелкого заполнителя использовался песок. Для придания смеси пластичности применялись такие добавки как пластификатор ПФМ-НЛК и Murapor Kombi 756. В качестве армирующей была использована базальтовая фибра. Были разработаны составы бетонной смеси дисперсно армированной базальтовой фиброй. В работе удалось разработать состав фибробетонной смеси, который можно использовать для 3D-печати. Были определены его прочностные характеристики, позволяющие сделать вывод о том, что данный состав соответствует всем требованиям, предъявляемым для такой технологии.
аддитивные технологии, строительство, 3D-печать, строительные технологии, конструкции, здания, структурная оптимизация
Введение. В настоящее время бетон является одним из наиболее важных строительных материалов современности. Ежегодно по всему миру, предположительно, производится 8 миллиардов м3 бетона. Это означает, что примерно
1 м3 бетона производится на одного человека в год. Историю бетона как строительного материала относят к римскому периоду. Существует много способов получения высококкачественных бетонных составов для строительной индустрии [9–14].
Идея печати бетона была впервые продемонстрирована Хошневисом в конце 90-х годов. С тех пор этот метод был скопирован различными научными организациями по всему миру, и значительный рост разработанных составов бетонной смеси наблюдается после 2012 года. В университете Эйндховена проведены исследования 3D-бетонной печати с использованием технологии контурной обработки (рис. 1).
Рис. 1. Крупномасштабный бетонный принтер в Технологическом университете Эйндховена и некоторые
печатные элементы
3D-печать, потенциально, способна решать следующие проблемы:
- возможна новая степень архитектурной свободы в дизайне, поскольку принтер может легко создавать более сложные формы, без установки опалубки;
- роботизированный комплекс берет на себя тяжелую работу, и вибрация бетона больше не требуется;
- производительность может быть увеличена из-за отсутствия опалубки, и роботы могут работать непрерывно [1–3].
Трехмерная печать бетона определенно демонстрирует высокий потенциал, который может быть классифицирован на иерархические уровни. Самый высокий уровень – возводить на месте целые здания. В настоящее время это направление только начинает развиваться, поскольку качество разработанных составов бетонных смесей для 3D-печати еще не может конкурировать с традиционными бетонными структурами. Кроме того, безопасность изделий и конструкций, полученных этим способом также остается не безопасной, поскольку эти составы не достаточно изучены по прочностным и деформативным характеристикам, тем самым вопрос долговечности возводимых зданий и сооружений пока остается под вопросом.
Печать зданий и сооружений на основе бетонных составов в настоящее время в США, Канаде, Японии, Германии, Китае и во многих других странах мира находит широкое применение. Для повышения эксплуатационных характеристик смеси мы предлагаем армирование фиброй [4–8].
Методология. В ходе проведения экспериментальных исследований по выявлению оптимальных составов для печати изделий из фибробетона на 3D-принтере были использованы различные соотношения компонентов смеси [15, 16].
В качестве вяжущего применялся товарный портландцемент АО «Себряковцемент» марки ЦЕМ I 42,5H и тонкомолотый кварцитопесчаник с удельной поверхностью 700 м2/кг, гипс. В качестве мелкого заполнителя использовался песок. Для придания смеси пластичности применялись такие добавки как пластификатор ПФМ-НЛК и Murapor Kombi 756.
Основные характеристики портландцемента АО «Себряковцемент» марки ЦЕМ I 42,5H (табл. 1).
Таблица 1
Физико-механические характеристики портландцемент АО «Себряковцемент»
|
Наименование вяжущего |
Удельная поверхность, м2/кг |
НГ, % |
Начало схватывания, час. |
Конец схватывания, час. |
Активность |
|
|
при изгибе, МПа |
при сжатии, МПа |
|||||
|
ЦЕМ I 42,5Н |
320 |
25,2 |
2,30 |
3,30 |
7,8 |
49,3 |
Также в составы были введена базальтовая фибра длинной 12–18 мм, которая обеспечивала необходимые физико-механические характеристики смеси (рис. 2).
Рис. 2. Базальтовая фибра
Основная часть. Экспериментальные исследования были связаны с изучением фибробетонной смеси при их выдавливании под давлением в 100 кгс.
В результате были проведено исследование следующих составов.
Состав 1.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Суперпластификатор ПФМ-НЛК |
16,8 кг |
|
Вода |
170 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
Данный состав обладал средней пластичностью, при этом под давлением в 100 кгс происходило выделение воды, а сама смесь уплотнялась в цилиндре, что говорит о малом количестве воды.
Состав 2.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Гипс |
16,8 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Суперпластификатор ПФМ-НЛК |
16,8 кг |
|
Вода |
200 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
При добавлении гипса в объеме 3 % от массы вяжущего и увеличении объема воды в состав №1 фибробетонная смесь стала более пластичной и наблюдается сокращение сроков схватывания. Состав под давлением 100 кгс обладал хорошей удобоукладываемостью, но при этом слабо структурировался (высокая растекаемость).
Состав 3.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Murapor Kombi 756 |
3,92 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Вода |
200 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
После замены суперпластификатора ПФМ-НЛК на добавку Murapor Kombi 756, состав стал более пластичным, но добиться нужной степени структурируемости не удалось. Он также растекался при укладке.
Состав 4.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Murapor Kombi 756 |
9,52 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Вода |
180 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
Для увеличения пластичности и степени структурирования было увеличено количество добавки Murapor Kombi 756, что привело к снижению воды. В результате пластичность смеси оказалась недостаточной, под давлением происходило выделение воды и уплотнение в цилиндре осушенной смеси.
Состав 5.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Murapor Kombi 756 |
11,2 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Вода |
210 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
Данная смесь показала высокие результаты удобоукладываемости, обладала высокой пластичностью. Под давлением 100 кгс хорошо структурировалась даже при укладке в несколько слоев сразу, не растекалась.
Состав 6.
|
Компонент |
Расход на 1м3 |
|
Цемент |
560 кг |
|
Кварцитопесчаник |
190 кг |
|
Гипс |
28 кг |
|
Murapor Kombi 756 |
11,2 кг |
|
Песок |
1250 кг |
|
Вода |
225 кг |
|
Базальтовая фибра |
16,8 кг |
Данный состав был создан путем добавления в состав 5 гипса в объеме 5 % от массы цемента для ускорения сроков схватывания, что играет важную роль в 3D-печати. Это позволит укладывать друг на друга несколько слоев в короткий промежуток времени. Добавление гипса повлекло за собой увеличение водопотребности смеси, в результате чего был увеличен объем воды. Данная смесь обладала свойствами состава 5, при этом затвердевание произошло в течение 1 часа. Были определены прочностные характеристики разработанных составов 5 и 6 (табл. 2).
Таблица 2
Прочностные характеристики составов
|
|
Предел прочности при сжатии, МПа |
Предел прочности на растяжение при |
|
Состав 5 |
44,1 |
8,43 |
|
Состав 6 |
46,5 |
8,51 |
Выводы. Очевидно, что нужен нулевой осадок бетона. Тем не менее, бетон все еще должен быть достаточно жидким, чтобы выдавливаться из смесителя в сопло принтера. Исследования этого очевидного противоречия были выполнены, и хорошо работающие материалы исследованы. В работе удалось разработать состав фибробетонной смеси, который можно использовать для 3D-печати. Были определены его прочностные характеристики, позволяющие сделать вывод о том, что данный состав соответствует всем требованиям, предъявляемым для такой технологии возведения зданий и сооружений.
1. ASTM Standard, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, vol. 10.04.
2. Additive Manufacturing Study Shows Cuts in Material Consumption and Reduced CO2 Emissions, Powder Metall Rev., (2013) http://www.ipmd.net/articles/002490.html.
3. Holmstrom J., Partanen J., Tuomi H., Walter M. Rapid Manufacturing in the Spare Parts Supply Chain: Alternative Approaches to Capacity Deployment. Journal of Manufacturing Technology Management, 2010, 21, pp. 687-697
4. Bourell D.L., Beaman J.L., Leu M.C., Rosen D.W. A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead, U.S. Turkey Workshop on Rapid Technologies, (2009).
5. Additive Manufacturing: Opportunities and Constraints, A report of Roundtable Hosted by the Royal Academy of Engineering, (2013), http://www.raeng.org.uk/publications/reports/additive-manufacturing.
6. Hype Cycle for Emerging Technologies, (2012) http://www.gartner.com/newsroom/id/2124315.
7. Hopkinson N., Hague R., Dickens P., Rapid Manufacturing: an Industrial Revolution for the Digital Age, Chichester England: John Willey, (2006).
8. Денисова Ю.В. Аддитивные технологии в строительстве // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №3. С. 33-42.
9. Гавшина О.В., Яшкина С.Ю., Яшкин А.Н., Дороганов В.А., Морева И.Ю. Исследование влияния дисперсных добавок на сроки схватывания и микроструктуру высокоглиноземистого цемента // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №4. С. 30-37.
10. Кожухова Н.И., Строкова В.В., Кожухова М.И., Жерновский И.В. Структурообразование в щелочеактивированных алюмосиликатных вяжущих системах с использованием природного сырья различной кристалличности // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №4. С. 38-43.
11. Елистраткин М.Ю., Минакова А.В., Джамиль А.Н., Куковицкий В.В., Эльян Исса Жамал Исса Композиционные вяжущие для отделочных составов // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №2. С. 37-44.
12. Жариков И.С., Лакетич А., Лакетич Н. Влияние качества бетонных работ на прочность бетона монолитных конструкций // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №1. С. 51-58.
13. Барабанщиков Ю.Г., Архарова А.А., Терновский М.В. Бетон с пониженной усадкой и ползучестью // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. №7 (22). С. 152-165.
14. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2003. 500 с.
15. Клюев С.В., Шорстова Е.С. Стеклофибробетон: секрет популярности на рынке производства // В сборнике: Наука и инновации в строительстве (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства): сборник докладов Международной научно-практической конференции. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2017. С. 216-223.
16. Клюев С.В., Клюев А.В., Кузик Е.С. Аддитивные технологии в строительной индустрии // В сборнике: интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства. Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Валерия Станиславовича Лесовика. 2016. С. 54-58.
