Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Передвведениемтеплоизоляциимеждустенамиможетиспользоваться гравийная засыпка для установления низкого центра тяжестииповышенияустойчивостиконструкции.Вотличиеотвнутреннихнаружныестенывыполняютсянанеобходимомрасстоянии друг от друга, чтобы обеспечить необходимые теплотехнические характеристики конструкции. Изоляция в пространство между стенами может вводиться тремя способами:

1)вырезатьсяпоразмерунужнойформыизтеплоизоляционной плиты;

2)засыпаться в виде гранулированного материала внутрь;

3)распыляться внутрь в виде пены.

Вцелом, анализируя печать бетоном, можно все этапы свести

куниверсальной технологии, включающей последовательное создание стеновых конструкций за счет слоев бетонной смеси из экструдера.Отличиемеждумногочисленнымипроектамисостоит в основном в добавках в бетонную смесь. В то же время имеются примерыуникальныхпроектовпо3D-печати,которыенепохожи на описанные ранее принципы. Так, в компании Batiprint3DTM совместно с Университетом Нанта (Франция) [32] используют оригинальную опалубку из полиуретана (ПУ). В зону печати подаетсяПУпена,которая,увеличиваясьвобъемеизастывая,образует два слоя опалубки и теплоизоляционный слой из этой пены. Дополнительновставляютсяпоперечныесвязидляустойчивости конструкции. Отмечается, что на печать жилого дома из 5 комнат площадью 95 м2 уходит 54 ч, на внутреннюю отделку – до 4 месяцев. В готовый дом установлена система мониторинга состояния напечатанныхстроительныхконструкций.КомпанияBranchtechnology [33] представила технологию C-Fab, которая позволяет печатать армирующий каркас из пластика. По сути, используется 3D-принтер, построенный на роботизированном манипуляторе. Врезультатечегосоздаетсялегкийпространственныйармирующий каркас ячеистой структуры, который в дальнейшем используется дляармированиябетоннойконструкции.Вестакогоармирующего каркасасоставляетнесколькодесятковкилограмм.Вданномслучае, скорее всего, речь идет об изготовлении бетонных изделий,

51

а не готовой конструкции. Требуется транспортировка на строительную площадку.

В большинстве рассмотренных проектов печатается только несущая ограждающая конструкция здания, реже – внутренние стеныздания.Могутчастичнопечататьсяоконныепроемы.Также одновременно может печататься мебель внутри здания, например кухонное пространство. Перекрытия и покрытия реализуются за счет доставляемых готовых железобетонных изделий. Печать покрытий в данный момент не реализована в полной мере. По сути, реализуемые в настоящее время проекты направлены на демонстрацию потенциала 3D-печати в будущем. Также потенциально использование местного сырья такого, как глина, солома, что существенноснижаетзависимостьотцемента.Насегодняшнийдень площадьпечатисоставляет150–300м2 иограниченадвумяэтажами. Стоимостьдоходитдо250тыс.руб.заквадратныйметр.Основные сложности, возникающие при 3D-печати:

–адгезия слоев, ее прочность, необходимое время для следующего прохода головки экструдера с гарантией схватывания нижележащего слоя;

–прочность на сжатие всех слоев в независимости от их положения и времени на следующий проход головки экструдера;

–холодные швы, непрерывность печати.

4.2.Волокнистая арматура для автоматизированной печати бетонной конструкции

Какбылопоказаноранее,наданныймоментдлябетоннойсмеси распространенынаполнителиввидекороткихволокон.Использование непрерывного волокнистого армирования в печати бетонных конструкций пока ограничивается отдельными примерами. Этозаключаетсявсложностивнедрениянепрерывнойарматурыв процессе печати. Вставка волокнистого армирования в конструкцию представляет собой определенные трудности, связанные с формой волокнистой арматуры, ее свойствами, в частности хрупкости высокопрочных волокон и нитей. Однако на сегодняшний

52

день имеются примеры реализации подхода по введению непрерывной волокнистой арматуры во время печати 3D-конструкции. В [34] предложен новый подход к систематизации аддитивного изготовлениябетонныхконструкций.Вцеломпредусматриваетсяразделение на два направления. В первом арматура (прутки, волокна, нити, текстильное полотно) добавляется в процессе 3D-печати в горизонтальном,вертикальномилинаклонномнаправлении.Вовторомнапечатаннаяконструкцияможетбытьдополнительновнешне армирована и затем покрыта дополнительным слоем бетона.

Ужеимеютместопопыткисозданиянапечатанныхконструкций с непрерывным волокнистым армированием. Так, в компании TAM[35]предложенавтоматическийметодвставкиармирующего ровинга непосредственно в зону печати бетонной конструкции с необходимойскоростьюподачировинга.Используетсяровничный питатель, ровинг сматывается с катушки и подается в зону печати. В качестве арматуры применяются стеклянные, углеродные и арамидные ровинги. Данный принцип похож на сварочный аппарат, в котором проволока подается в зону сварки. В результате применения такой технологии внедренный армирующий ровинг позволяет увеличить прочность от внешнего давления на стену, например в случае подземных конструкций (колодцев, тоннелей), или конструкций, испытывающих внутреннее гидростатическое давление (трубы, водоводы).

В техническом университете г. Брауншвейга [36] разработана технология изготовления армирующего каркаса из нити, которая наматывается роботизированным способом и фиксируется на бетоннойконструкции.ЭтонапоминаетвнешнееусилениеконструкцийспомощьюТАБ.Дляэтойцелииспользуетсяроботизированная намоточная машина на строительной площадке, позволяющая осуществлятьнамоткупозаданнойтраектории.Далеедобавляется слойторкретбетона.Крометого,возможносозданиеармирующей сетки на оправке с последующим нанесением бетона из экструдера. В качестве волокнистого армирования используются ЩС стеклянные или углеродные ровинги, которые предварительно пропитываются перед подачей в зону печати.

53

Редкие попытки использовать текстиль в качестве арматуры приведенывработе[37].Былиизготовленыбалки,армированные ЩСстекляннойсеткойсбутадиен-стирольнымкаучуковымпокры- тием,какметодомлитья,такиметодом3D-печати,длясравнения характеристиксцепленияслоевимеханическихсвойствприизгибе. Показано, что прочность на изгиб литой балки была значительно выше по сравнению с напечатанной. Тем не менее напечатанные образцы показали лучшие характеристики пластичности.

Использование непрерывной арматуры для изготовления 3D-напечатанныхконструкцийограниченолишьотдельнымипри- мерамииспользованиянепрерывногоровинга,какбылопоказано в предыдущем параграфе. Использование армирующего каркаса изтекстильнойсеткидосихпоростаетсяоткрытымвопросомпри печати трехмерных бетонных конструкций. Можно выделить два технических решения печати трехмерной бетонной конструкции стены. Первое решение предполагает использование имеющихся 3D-принтеровсприменениемготовоготрехмерногоармирующего полотна в виде готовой стеновой конструкции с последующим заполнениембетоннойсмесью.Второерешениепредставляетсобой реализациюбетонногопринтерасформообразующейголовкойдля создания армирующего каркаса во время печати.

4.3. Несъемная опалубка для печати текстиль-бетонных конструкций

Несъемная опалубка широко применяется для укладки монолитного бетона. При этом значительно возрастает скорость строительства за счет сокращения числа технологических операций. Существуютразличныевидынесъемнойопалубки,такиекакблоки (например,изпенопласта)спустотамидлязаполнениябетона.По сути, это леглов основу технологии компанииBatiprint3DTM, как было описано ранее. Только в традиционном варианте монтаж опалубкиидетвручнуюсиспользованиемзаранееподготовленных пазов. В итоге получается стена системы «бетон–утеплитель–бе- тон». При определенном технологическом изменении процесса

54

даннаятехнологиятакжеможетбытьадаптированадля3D-печати. Единственнаясложностьзаключаетсяввысотеслояукладываемого бетона. При относительно больших размерах панелей несъемнойопалубкидостаточносложнобудетобеспечитьрациональную укладкубетона.Остальныевидынесъемнойопалубки,какправило, отличаются типом панелей и, например, могут дополнительно включать арматурную сетку. Кроме того, существует сетчатая несъемная опалубка с ребрами жесткости, которая позволяет образовывать криволинейную форму будущей конструкции.

Обобщаявышесказанное,можнозаключить,чтоперспективная для 3D-печати конструкция должна включать сандвич-си- стему, состоящую из двух слоев бетона и теплоизоляции между ними. Теплоизоляционный материал может вводиться по-раз- ному. Наиболее перспективным представляется использование теплоизоляции, вырезанной из готовых плит. Причем в широко используемой 3D-печати данный способ присутствует, что требует дополнительной ручной непрерывной операции. Введение гранулированного или пенного распыляемого утеплителя сопровождается определенными трудностями, такими как необходимость использования специального вида утеплителя

иприменение специальной технологии. Использование теплоизоляционной плиты в качестве утеплителя является наиболее универсальным способом, т. к. позволяет использовать самую распространеннуюформутеплоизоляции.Исходяизэтого,можноспроектироватьнаиболеерациональнуюформустеновойконструкции, включающую две стены – наружную и внутреннюю –

итеплоизоляционныйматериалмеждуними.Нарис.4.1показана модель конструкции несъемной опалубки. Размеры внутренней

инаружной стен a и c, теплоизоляционного материала b определяются исходя из нормативных регламентирующих документов. Высота слоя d определяется системой подачи бетона в зону пе- чати.Притрадиционной3D-печатибетономтолщинадостигает 20 мм. Такое ограничение связано с устойчивостью слоя бетона. При увеличении его высоты бетон будет сходить вниз. В случае использования проектируемой текстильной опалубки толщину

55

d

Рис. 4.1. Модель элемента 3D-печатной конструкции

слоя укладываемого бетона можно существенно увеличить, т. к. бортики опалубки будут полностью удерживать укладываемый слой бетона. Для обеспечения устойчивости стены две ее части связанымеждусобойтемжесамымармирующимкаркасом.Это выглядит аналогично вставке металлической горизонтальной арматуры, но с применением малотеплопроводного материала.

Дляреализациитакойконструкциистеныдолжнабытьспроектированажесткаяопалубка,котораяспособнаудерживатьвсвоей структуре теплоизоляционную плиту, а также иметь две пустотелые части для укладки бетона. Жесткость такой структуре можно придатьзасчетповерхностногонанесенияпокрытия.Врезультате в процессе печати бетоном предварительно будет укладываться готоваяопалубкастеплоизоляционнымматериалом,азатемукладываться бетон. Длина элемента несъемной опалубки будет ограниченадлинойтеплоизоляционныйплиты,изкоторойвырезается средняя часть. Устанавливаемая опалубка позволит сделать один проход бетонного экструдера. Сразу же после прохода начинается установкаследующегослояопалубки.Нарис.4.2представленамо- дель3D-печатнойстеновойконструкции,состоящейизнаружной ивнутреннейстенитеплоизоляционногоматериала.Армирующий каркас из сетки позволит обеспечить проницаемость бетонной смеси, что в свою очередь обеспечит сцепление между слоями укладываемого бетона. Это наглядно было продемонстрировано при испытании балок на изгиб. Следует отметь, что это решает

56

проблему более низкой прочности при сцеплении слоев 3D-пе- чатной конструкции.

Также для повышения устойчивости конструкции может быть выполнена дополнительная перевязка двух стен за счет двухуровневого армирующего каркаса.

Приизготовлениинесъемнойопалубкиизтекстиляследуетучи- тыватьрядфакторов.Во-первых,армирующаясеткапоставляется на рулоне для установки по месту армирования. Во-вторых, проектируемый каркас опалубки должен быть достаточно жестким и обеспечиватьформоустойчивость.Дляпреодоленияэтихфакторов наиболеерациональнымпредставляетсяиспользованиедополнительногопокрытиянаармирующуюсетку.Детальныеисследования былиописаныранее[3].Оптимальнымбылапризнанапропиткас помощьюсиликатногостекла,котораяобеспечиваетоптимальные механические характеристики ТАБ и не придает значительного увеличения массы для текстильной арматуры.

На рис. 4.3, а представлен прототип 3D-армирующего каркаса для печати бетоном. Данный армирующий каркас образован

Рис. 4.2. Модель 3D-печатной стеновой конструкции: 1 – наружная стена; 2 – теплоизоляционный материал; 3 – внутренняя стена; 4 – армирующий каркас

57

из армирующей ЩС стеклянной стенки и разделен на три части. Боковыечастипредназначеныдлязаполнениябетоннойсмесью, в то время как средняя часть остается пустой. Такая форма, например,можетбытьполученапутемсозданияипокрытиятакого каркасасиликатнымстекломилиполимернымисмолами.После отверждениякаркасприобрететфиксированнуюжесткуюформу. Ширина опалубки может легко подбираться в зависимости от шириныготовойстеновойконструкции.Дополнительновармирующий каркас должен быть интегрирован теплоизоляционный материал. На рис. 4.3, б показан экспериментальный образец несъемнойопалубкидляпечатибетоном.Средняячастьвключает в себя теплоизоляционный материал, вырезанный из плиты. Такой элемент готов для установки по месту печати бетонной конструкции.

Приизготовлениипечатнойконструкцииэлементынесъемной опалубкиукладываютсяпоследовательнодругзадругомпопериметрупечатаемойконструкции.Послеэтогоосуществляетсяпроход головкиэкструдерасукладкойбетонавправуюилевуючастиопалубки. После прохода происходит ручная установка второго слоя опалубки и опять проход головки экструдера. Далее все повторяется до возведения стеновой конструкции необходимой высоты. Ручная установка опалубки не является недостатком. В обычном процессе 3D-печати дополнительно происходит ручная вставка

Рис. 4.3. Каркас несъемной опалубки из ЩС сетки (а), вместе с теплоизоляционным материалом (б)

58

Рис. 4.4. Принцип формирования стеновой конструкции из несъемной опалубки: 1 – армирующий каркас;

2 – теплоизоляционный материал; 3 – бетон

скоб,обеспечивающихгоризонтальноеармирование.Здесьвэтом нет необходимости, т. к. в армирующем каркасе присутствует как горизонтальное,такивертикальноеармирование.Нарис.4.4показанпринципформированиястеновойконструкцииизнесъемной опалубки:конструкциявразрезедоукладкибетона(а);фрагмент напечатаннойстены(б);штриховойкраснойлиниейвыделенодин слой печатаемой конструкции. Укладка бетона производилась в ручном режиме через трубы-питатели на экспериментальном стенде без использования насосного оборудования.

Готовая конструкция пригодна к эксплуатации в напечатанном состоянии. Путем подбора оптимального состава бетонной смесиможнодобитьсяэстетическиудовлетворительнойтекстуры поверхности, и в некоторых случаях поверхность оставляют без дополнительныхотделочныхработлибовыполняютсяотделочные работы. Армирующий каркас позволяет решить одну из главных проблем стеновых печатных конструкций, а именно усадку под давлением вышележащих слоев. Текстильный каркас предотвращает деформацию нижележащего слоя, существенно сокращая времянадобавлениеследующегослоя.Этотакжепозволяетснизить требования к бетонной смеси по ускоряющими добавками.

59

Другие преимущества несъемной опалубки из волокнистого армирующего каркаса состоят в снижении веса конструкции по сравнениюсмонолитнымстроительством,сокращениивремени на строительство, гибкости проектных решений и упрощении отделочных работ.

4.4. Печать стеновой конструкции с одновременным введением непрерывного текстильного армирования

Помимо использования текстильной арматуры в качестве несъемнойопалубкитакжевозможновведениетекстильногокаркаса необходимойформывовремяизготовленияпечатнойконструкции. Использованиетекстильнойарматурысталобыпрорывнымшагом вэтомнаправлении.Арматураможетсматыватьсясрулонаиподаватьсянепосредственновзонуэкструдерапоаналогиисвведением армирующегоровингаилиработойсварочногоаппарата.Основная сложностьреализациитакойидеисостоитвприданиинеобходимой формы армирующему каркасу. Основным походом реализации данной идеи является использование сетки в рулоне. В этом случаесеткабудетсматыватьсясрулонаипоступатьвнаправляющее устройство, в котором ему будет придаваться нужная форма. Затем сформованный каркас подается в экструдер, и боковые части заполняются быстротвердеющей бетонной смесью. Печать производится по заданной программе слоями. Ширина армирующей сеткиможетлегкоподбиратьсявзависимостиотшириныготовой стеновой конструкции.

Данные идеи отнюдь не новы. Так, при строительстве водозащитных зонтов из армоцементных оболочек станций Ленинградского метрополитена еще в начале 1970-х гг. использовалась технология, напоминающая печать строительных конструкций [12].Дляармированияиспользоваласьтканаястальнаясетка,сматываемая с барабана. По сути, это первый пример реализации аддитивныхтехнологийвстроительствесприменениембетонной смеси.Послойноукладывалисьпровибрированнаябетоннаясмесь иармирующийслойтканойсетки,котораясматываласьсбарабана

60