3D-СТРОИТЕЛЬСТВО ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Строительство с помощью 3D-печати – новая и интересная технология, имеющая большие перспективы для развития, позволяющая автоматизировать ряд технологических процессов как на строительной площадке, так и при производстве строительных конструкций и материалов.

Применение данной технологии в строительном производстве особенно актуально, если взять во внимание основные проблемы строительной отрасли: низкую квалификацию рабочих, высокую материалоемкость и энергоемкость, низкую производительность труда и сложность контроля за процессами, происходящими на строительной площадке. Использование 3D-печати в строительстве поможет решить эти проблемы.

Одно из явных преимуществ 3D-строительства по сравнению с другими способами возведения зданий – роботизация возведения строительных объектов или отдельных конструкций по заранее разработанному проекту на строительной площадке, приводящая к экономии на различных факторах, начиная от человеческих ресурсов и до затрат на транспортировку и монтаж готовых конструкций.

Технологической особенностью 3D-принтера для строительства является послойное нанесение бетона. При этом конструкция стены представляет собой пространственную ферму с параллельными поясами, внутренняя и наружная части стены связаны между собой пространственной конструкцией в виде треугольников или с помощью гибких или жестких связей, для обеспечения необходимой жесткости конструкции. Пустоты в последствие заполняются бетоном и теплоизоляционными материалами [1].

Для создания конструкций необходимой прочности возможно применение различных видов микрофибры в составе бетонной смеси или традиционного армирования стальными прутьями, при этом горизонтальная арматура укладывается между слоями бетонной смеси, а вертикальная устанавливается в технологические пустоты, которые затем заливаются бетоном.

Важное значение в 3D-строительстве имеет состав рабочей бетонной смеси. Основным ее компонентом является быстротвердеющий бетон, включающий в себя различные добавки для повышения необходимых характеристик несущих конструкций.

Рисунок 1. Материалы для 3D-строительства

Преимущественно для печати используется не обычный традиционный бетон, а мелкозернистые смеси. У разных компаний, занимающихся 3D-строительством, свои индивидуальные рецептуры, подбирающиеся в зависимости от конструкций 3D-принтера и требуемых характеристик готовых изделий и конструкций. Ключевые параметры бетонной смеси — это прочность, скорость схватывания и пластичность.

У большинства различных компаний получаемый после застывания бетон имеет класс В50. Благодаря добавкам-ускорителям твердения схватывание бетонной смеси происходит за 3-120 минут с сохранением формы конструкций (бетонная смесь не растекается и не теряет форму при выдавливании ее из экструдера 3D-принтера). За первые сутки бетон набирает до 25% от проектной прочности. Стоит также отметить, что характерной особенностью большинства бетонных смесей является малая усадка, составляющая всего 0,6 мм/м в возрасте 28 суток [1].

Различные исследовательские центры разрабатывают свои универсальные рецептуры бетонной смеси, однако они в своем большинстве имеет похожие особенности, такие как применение мелкозернистых заполнителей (до 4 мм), схожих химических и минеральных добавок и микрофибры. В общем, получаемый после схватывания бетон имеет плотность 2100-2200 кг/м³, и прочность на сжатие в диапазоне 25-50 МПа [2].

Таблица 1.

Технические характеристики конструкций наиболее популярных разработчиков в области 3D-строительства.

3D-строительство, как новая технология, имеет ряд перспективных задач, решение которых необходимо для дальнейшего развития этого направления. В первую очередь, это поиск комплексных технологических решений на всех этапах возведения зданий и сооружений. Также необходимо разработать универсальные рецептуры для бетонной смеси, удовлетворяющие одновременно двум важным, но противоположным условиям. С одной стороны, бетонный раствор должен обладать необходимой пластичностью, чтобы он не застывал в самом принтере до выдавливания. С другой стороны, раствор должен достаточно быстро схватываться и сохранять свою форму при выдавливании экструдером.

При этом 3D-строительство уже показало свои преимущества по сравнению с другими технологиями производства строительных работ. К ним относятся снижение ресурсоёмкости (на 25-30%), с учетом расхода строительных материалов и трудозатрат, а также снижение экологического вреда, наносимого окружающей среды отходами и шумовыми загрязнениями [3].

Однако, нельзя игнорировать недостатки данной технологии, требующие скорейшего устранения:

- неровности вертикальной поверхности конструкций, которые требуют дополнительной обработки для последующей эксплуатации;

- низкие эксплуатационные свойства элементов, напечатанных 3D-принтером, используемых только в качестве опалубки для основного заполнителя;

- отсутствие универсального рецепта бетонной смеси, как следствие того, что различные лаборатории и производители пока только экспериментируют с ее составом;

- высокие требования к составу и характеристикам получаемого бетона для обеспечения необходимых прочностных свойств, высокой скорости твердения и пластичности бетонной смеси.

Список литературы:

1. Кулебякин А.А. Новые технологии. Развитие 3D-печати: перспективы и последствия. М.: Молодеж. науч.-техн. вестник, 2015. – 48 с.
2. Лунева Д.А., Кожевникова Е.О., Калошина С.В. Применение 3D-печати в строительстве и перспективы ее развития. Пермь: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2017. – С. 90–101.
3. Лысыч М.Н., Шабанов М.Л., Воронцов Р.В. Материалы, доступные в рамках различных технологий 3D-печати. Воронеж: Современные наукоемкие технологии, 2015. – С. 20–25.