CC BY
330
УДК 691.5
А. О. Торшин*, Е. Н. Потапова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: antoni-94@mail.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭБ-ПРИНТЕРА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В статье рассматривается возможность использования технологии 3D-печати при строительстве зданий и сооружений, а так же составы рабочих смесей для 3D-принтера. На основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с комплексом добавок разработан состав рабочей смеси для демонстрационного 3D-принтера.
Ключевые слова: 3D-принтер, строительство, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, добавки.
3D-печать архитектурных сооружений занимает умы специалистов уже несколько лет. Применение принтеров объемной печати в строительстве -весьма перспективная сфера деятельности. Следует отметить, что в настоящее время единственной полностью не автоматизированной отраслью производства является именно строительство. Применять строительный ЭБ-принтер можно в широких кругах: от создания небольших конструкций вроде строительных блоков, вазонов, скамеек до крупных строительных конструкций. 3D-печать бетоном будет также полезна для строительства домов в местностях, пострадавших от стихийных бедствий, в бедных развивающихся странах и во всех других случаях, когда требуется за короткое время обеспечить жильём большое количество людей.
3D-печать позволяет получать изделия различных сложных форм с минимальными временными и материальными затратами. Применение ЭБ-принтеров в строительстве позволит отойти от традиционных форм зданий и создавать дома неправильной формы, с изогнутыми контурами и линиями. Автоматизация ручного труда позволит сократить численность строительных рабочих и минимизировать риск производственных травм.
В настоящее время концепция строительства зданий при помощи ЭБ-принтеров уже заинтересовала несколько крупных строительных компаний, которые готовы использовать данную технологию на практике. По самым смелым замыслам ЭБ-принтеры можно будет использовать не только для строительства небольших коттеджей, но и для возведения небоскрёбов.
В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала. Как известно, главное отличие ЭБ-принтера от любого другого промышленного робота заключается в способе создания продукции. В частности, строительный ЭБ-принтер имеет сопло или экструдер и выдавливает из него быстротвердеющую рабочую смесь. Поверхность, на которой создается объемное изделие (рабочая зона), имеет размеры, задаваемые величиной хода сопла. При этом возведение
опалубки не требуется. То есть, строительная машина объемной печати декларируется как самодостаточный механизм, способный, при подключении электроэнергии, буквально на голом месте создать готовое здание.
Известно о трех способах создания объемной конструкции:
1. Послойное экструдирование вязкой рабочей смеси.
2. Метод спекания/селективное спекание.
3. Метод напыления/ компонентной склейки.
Из перечисленных способов формирования объема, внимание строителей привлекает в первую очередь, метод послойного экструдирования во многом потому, что уже сейчас созданы достаточно большие несущие поверхности и даже настоящие дома. В этом случае из рабочего «сопла» выдавливается, подобно зубной пасте из тюбика, «сметанообразная смесь» бетона с добавками.
В начале двухтысячных годов сразу несколько независимых друг от друга групп ученых (Китая, США, Великобритании и Нидерландов) начали исследования в области применения технологии ЭБ печати в строительстве. В 2004 г. группа учёных из Южно-Калифорнийского университета под руководством профессора Б. Хошневиса представила технологию «Контурного строительства [1]. Б.Хошневис предлагает установить на строительную площадку гигантский ЭБ-принтер, подключив к нему компьютер с особым программным обеспечением. После этого остаётся лишь обеспечить непрерывную подачу на ЭБ-принтер бетона.
Особенность технологии заключается в подключении дополнительного инструмента машины — манипулятора устанавливающего в проектное положение несущие и поддерживающие элементы конструкции, инженерные коммуникации (перемычки, балки перекрытия/покрытия, элементы стропильной конструкции, лотки, дымоходы, вент. каналы и т.д.). Строительный материал для возведения несущих элементов конструкции (стен, перекрытий) это быстротвердеющий реакционно-порошковый бетон, армированный стальной или полимерной микрофиброй. Особенность
реакционно-порошкового бетона является
отсутствие крупного заполнителя без потери в соотношении вяжущие/твердая составляющая, а также высочайшие эксплуатационные
характеристики. Так же может быть использованы более дешевые виды бетонов, такие как мелкозернистый и песчаный бетон
модифицированный добавками
(гиперпластификаторы, ускорители твердения, фибра). Преимущество технологии заключается в скорости строительства - машина может построить за 24 часа жилой дом площадью 150 м2.
Но вместе и с положительными сторонами имеется множество тонких вопросов, касающихся самой технологии возведения зданий. В частности, ЭБ-принтеры строят дома путем нанесения слоя бетонной смеси на ранее выложенный слой. При этом ничего не говорится о применении в строительстве арматуры - вертикальная арматура просто помешает принтеру свободно перемещаться над слоями на нужной высоте. В Китае выстроенные принтером дома армировали стеклопластиковой сеткой. Другое уязвимое место - монтаж инженерных систем, без которых современный дом просто не может существовать. Впрочем, здесь как раз возможности принтеров могут раскрыться в полной мере, поскольку они являются устройствами с точной повторяемостью операций. Однако все эти спорные технические моменты нельзя назвать неразрешимыми, они характерны для любой прорывной технологии, только начинающей свое развитие.
Гораздо больше вопросов вызывают состав рабочей смеси. Как ни странно, к бетонам для печати нет смысла предъявлять особые требования по прочности. То, что печатает принтер - всего лишь несъёмная опалубка - внешняя оболочка, которая в большинстве случаев должна быть всего лишь достаточно влагонепроницаемой. Но так же рабочая смесь должна обладать тиксотропными и адгезионными свойствами, она должна быть удобоукладываемой принтером и в то же время не растекаться под воздействием последующих слоёв.
Каждый разработчик ЭБ-принтера представляет свою смесь, не раскрывая ее состава. Одни указывают, что новый раствор обеспечивает 95% от
прочности обычного бетона, но при этом обладает нужной вязкостью и пластичностью, для сохранения заданной формы в процессе печати. Другие в качестве материала предлагают использовать смесь, состоящую из цемента, стеклопластика, песка, специального отвердителя и стекловолокна, выполняющего роль арматуры. Третьи в качестве расходного материала используют различные каменные породы, измельченные до консистенции песка, а «склеивание» материала осуществляется с помощью специального раствора. Часто для производства такого «бетона» широко применяют строительные и промышленные отходы, а для усиления конструкции - стекловолокно, базальт и даже волокна конопли. Однако «печатный материал» не ограничивается только композициями на основе цемента. Для строительства домов предлагают использовать глинистый раствор - смесь глины, песка и натуральных волокон; смесь водостойкого гипсового вяжущего с измельченными отходами полимеров, картона, стекла и бумаги.
Проанализировав представленные в литературе составы рабочих смесей для ЭБ-принтера, на первом этапе мы решили разработать состав на водостойком гипсоцементно-пуццолановом вяжущем (ГЦПВ). Состав ГЦПВ был выбран на основании ранее проведенных исследований [2].
Для достижения требуемых свойств растворной смеси были выбраны добавки следующих классов: водоредуцирующие, водоудерживающие,
загущающие, редиспергируемые полимерные порошки, регуляторы схватывания и различные волокна.
Изучены нормальная густота и сроки схватывания, удобоукладываемость, прочность при изгибе и сжатии, пористость, коэффициент капиллярного водопоглощения, водостойкость, коррозионная стойкость и морозостойкость ГЦПВ в присутствии водоредуцирующей (ВР),
водоудерживающей (ВУ), загущающей (З) добавок, редиспергируемого полимерного порошка (РПП) и волокон (В) при их индивидуальном и комплексном введении.
Полученные результаты представлены в таблице и на рисунке.
Таблица. Свойства гипсоцементно-пуццоланового камня в присутствии модифицирующих добавок
Добавка к ГЦПВ Свойства
Сроки схватывания, мин Пористость, % ККВП, кг/м2.с1/2 Водостойкость, Кр Коррозионная стойкость (3% №2804), Кст Потеря прочности камня, % после 20 циклов замораживания-оттаивания
начало конец
- 10 23 19,8 0,04 0,81 0,82 30,4
ВР 7 15 8,7 0,01 0,93 0,94 9,8
ВУ 15 30 15,6 0,05 0,72 0,79 42,3
З 13 24 13,5 0,04 0,76 0,81 28,1
РПП 11 23 10,4 0,03 0,84 0,88 7,4
В 10 22 11,4 0,03 0,82 0,85 15,4
Комплекс 11 18 8,3 0,02 0,92 0,94 8,1
Добавки
Рисунок. Влияние добавок на прочность гипсоцементно-пуццоланового вяжущего
Введение модифицирующих добавок приводит к изменению нормальной густоты и срокам схватывания гипсоцементно-пуццоланового теста. Основополагающим при выборе вида и содержания каждой добавки была необходимая удобоукладываемость и сроки схватывания смеси: начало схватывания должно быть не ранее 10 мин, а конец - не позднее 20 мин. Введение
водоудерживающей и загущающей добавок ухудшает свойства ГЦП-камня, однако позволяет достичь нужную вязкость и пластичность смеси, что необходимо для сохранения заданной формы в процессе 3D-печати. В присутствии всего комплекса добавок формируется прочный, водостойкий, коррозио- и морозостойкий гипсоцементно-пуццолановый камень. Прочность композиции на изгиб повышается на 15 %, вдвое снижается пористость, водостойкость и коррозионная стойкость повышается на 10-15 %, а морозостойкость - на 70 %.
Таким образом, проведенные исследования показали, что введение к гипсоцементно-пуццолановому вяжущему комплекса приводит к достижению требуемых свойств и повышению прочностных характеристик рабочей смеси, которую можно использовать для демонстрационного 3Б-принтера.
Дальнейшие исследования в этом направлении будут направлены на разработку рабочей смеси для промышленного 3D-принтера на основе цемента.
Торшин Антон Олегович, студент 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Khoshnevis B. Automated construction by Contour-grafting - related robotics and information technologies// Journal of Automation in Construction. - 2004. - V. 13. - № 1. - P. 5-19.
2. Торшин А.О.,Зырянов М.С.,Манушина А.С. Коррозия гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Наука вчера, сегодня, завтра: Сб. статей студентов, аспирантов, мол. ученых и преподавателей. - 2015. - С. 36 -38
Torshin Anton Olegovech*, Potapova EkaterinaNikolaevna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: antoni-94@mail.ru
PERSPECTIVES OF 3D-PRINTER IN CONSTRUCTING
Annotation
The article describes the possibility of using 3D-printing technology in the construction of buildings and structures, and also mortar for 3D-printers. Based on the gypsum cement-pozzolan binder with complex of additives a mortar for demonstration 3D-printer was developed.
Key words: 3D-printer, construction, gypsum cement-pozzolan binder, additives.
