ПРИМЕНЕНИЕ ФИБРОВОЛОКНА В АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗДАНИЙ

В настоящее время внедрение технологии 3D печати в строительство ограничено радом причин. Такими причинами служат проблема технического оснащение, а также отсутствие нормативной и технической документации, что, во многом, осложняет применение данной аддитивной технологии. Крупные строительные компании, которые рассматривают применение 3D печати поточными методами, а также возведение многоэтажных зданий, по этим причинам не могут взять на вооружение 3D оборудование.

Но, в то же время, малый и средний бизнес имеет более высокие шансы на внедрение данной технологии, так как они имеют возможность возводить небольшие строения, такие как: небольшие летние дома, бани, беседки, гаражи, малые архитектурные формы, ланд­шафтные постройки, детские комплексы и т.д. Такие предприниматели имеют возможность быстро и гибко работать с потенциальными, но пока еще не массовыми заказчиками.

Еще одна проблема в данной отрасли - отсутствие на рынке оборудования для строительной 3D печати. Это объясняется, прежде всего, сравнительно высокой стоимостью для целевого сегмента предпринимателей. А, соответственно, нет спроса, нет и предложения [2-3].

Кроме того, размер принтера также доставляет массу проблем, начиная с его хранения и, заканчивая, транспортировкой. Средний размер 3D принтера, предназначенного для печати строительных конструкций, достигает 5-6 метров в ширину и около 3 метров в высоту. Такие габариты усложняют транспортировку и поиска места для хранения. Также, при установке принтера в проектное положение, необходимо подготовить площадку для выгрузки бетона, участок предварительной сушки, а также складские помещения и участок для погрузки.

Рисунок 1. Применение 3D принтера на строительной площадке

Важным преимуществом применения аддитивной технологии является возможность его применения в заводских условиях. То есть можно печатать не целиковые здания, а их оставляющие. Это приводит к тому, что можно избежать сезонности строительства, а тем самым уменьшить сроки возведения, что приводит к экономии человеческих и денежных ресурсов. Элементы здания можно заготовить не в строительный сезон, то есть не дожидаться процесса выдерживания бетона в построечных условиях, а лишь собрать все элементы в единое целое на строительной площадке.

Рисунок 2. Применение 3D принтера в заводских условиях

Применяя составы на основе цемента с добавлением каолиновых смесей и фиброволокна, при температуре окружающего воздуха в помещении +5⁰С - + 30⁰С, строительный 3D-принтер может напечатать элементы зданий с H ≤ 2,8м и габаритными размерами до 5 х 3,2 м [1-3].

Но применять каолиновые смеси для печати огнеупорных изделий (камины, мангалы, барбекю, печи) возможно только при наличии печей для обжига. Поэтому такой процесс является достаточно узкопрофильным и специфичным, но при этом сама печать ничем не отличается от печати деталей из обычного цементного состава.

Цементная смесь с фиброволокном нашла более широкое применение в строительстве. Она представляет собой волокна из базальта, полипропилена или стали. Добавление в смесь фиброволокон позволяет улучшить свойства бетона, а именно [1-2]:

• армировать бетон, вплоть до полной замены армокаркаса на фиброволокно, обеспечивая тем самым жёсткость и прочность конструкции, уменьшая её вес и снижая расходы на создание армокаркаса;
• увеличить устойчивость изделий к изгибу при длительном воздействии высоких температур. При нагреве бетона вплоть до +1100°С, фиброволокна повышают устойчивость бетонных элементов к раскалыванию;
• повысить пластичность цементных растворов, что особенно важно для равномерной подачи смеси через печатающую головку строительного принтера;
• уменьшить удельный вес смеси, что позволит нанести большее количество слоев при печати;
• повысить износостойкость бетонных изделий, при полном застывании бетона вплоть до 30 %;
• увеличить защиту от внешних воздействий влаги и агрессивных веществ. Капилляры, образующиеся в процессе дегидратации бетона, заполняются фиброволокном, которое не позволяет проникать в бетон влаге извне.

Самыми важными свойствами фиброволокна для процесса строительной печати являются его лёгкость и увеличение пластических свойств цементной смеси.

Добавление фиброволокон в быстротвердеющий цементный состав, необходимый для печати на строительном 3D, позволяет получить толщину укладываемого слоя ≤10 мм при ширине менее 30 мм. Такая смесь остается подвижной в печатающей головке еще около часа. Такой промежуток схватывания раствора позволяет производить печать элементов относительно большой высоты, при это нет необходимости в промежуточном подсушивании. Но есть и недостаток – при лабораторных испытаниях контрольных образцов конструкции, возведенной по данному способу, выяснилось, что прочность образца недостаточно велика: при сжатии в возрасте 28 суток прочность составила 1,6 МПа, а прочность на растяжение при изгибе чуть меньше 1 МПа. Еще одним недостатком является то, что такие быстротвердеющие смеси могут использоваться только при возведении конструкции, эксплуатация которых будет проводиться вне помещений [1].

Интересными для строительной сферы являются высокопрочные смеси с минеральными, а также модифицирующими добавками. Эти добавки позволяют получить водостойкие, трещиностойкие и высокопрочные изделия. Применение таких смесей обеспечивает хорошую несущую способность, сопротивление паропроницаемости и морозостойкость. Испытание контрольных образцов показало такие результаты: прочность при сжатии в возрасте 28 суток равна 10 МПа, а прочность на растяжение при изгибе 3,5 МП, морозостойкость 35-40 циклов, гигроскопичность около 10 % [3].

В отличии от быстротвердеющих смесей, подвижность высокопрочных смесей сохраняется сравнительно долго – около 2-4 часов. Это приводит к тому, что без просушивания нельзя возводить высокие элементы, а это увеличивает время печати.

Армирование конструкций, возведенных аддитивным методом не может выполнять привычными способами. При печати на 3D-принтере армирование вызывает ряд трудностей, а именно:

• вручную – требует ручного труда;
• автоматизировано – сложных и дорогостоящих роботов.

Данную проблему можно частично решить с помощью применения фиброволокна, которое само по себе армирует конструкцию, а также путём привычного армирования в технологические пустоты стен при сборке зданий с последующей заливкой бетоном. Также возможно использование горизонтального армирования, то есть укладки арматуры или плоских армокаркасов между слоями изделий в процессе печати.

Список литературы:

1. Компания “Winsun” 3D проектирование домов – [Электронный ресурс]. URL: http://www.yhbm.com/index.php?a=lists&c=index&catid=67&m=content.
2. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбым В.М. Аддитивные технологии в машиностроении // пособие для инженеров. – 2015, 220с.
3. Максимов Н.М. Аддитивные технологии в строительстве: оборудование и материалы. // Аддитивные технологии: электронный научно-практический журнал. 2017. № 4. URL: https://additiv-tech.ru/publications/additivnye-tehnologii-v-stroitelstve-oborudovanie-i-materialy.html