CC BY
4УДК 691 Кудайберген А.Ж., Атиголлин Ж.Б.
Кудайберген А.Ж.
магистрант 2 курса Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилёва
(г. Астана, Казахстан)
Атиголлин Ж.Б.
магистрант 2 курса Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилёва
(г. Астана, Казахстан)
ФИБРОБЕТОН ДЛЯ 3Б АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация: в поисках новых возможностей в строительстве, позволяющих добиться эффективного успеха, уменьшить трудоемкость и сократить сроки возведения зданий, сегодня очень актуален. В статье рассмотрено понятие и принцип работы строительного 3D-принтера. Фибробетон, используемый при 3D-печати, существенно отличается от обычного тяжелого бетона, что определяется повышенным расходом цемента, низким водоцементным соотношением и отсутствием крупных заполнителей. Определены виды строительных принтеров в зависимости от компоновки приводов. Описаны материалы, используемые для экструдирования, и основной состав бетонной смеси для печати. Применение высокомарочных цементов и экономичных пескобетонов, а также улучшение свойств бетона через добавки и фибры обеспечивает прочность и долговечность конструкций. Инновации в материалах, включая глину и каолиновые смеси, расширяют возможности 3D-печати, делая ее конкурентоспособной альтернативой традиционным строительным методам.
Ключевые слова: строительный 3D принтер, строительство, инновационные технологии, фибробетон.
Использование аддитивных технологий в строительстве требует разработки и изучения новых материалов, используемых в 3D-печати. Однако
многие разработчики сталкиваются с проблемой выбора материалов. Фундаментальные взаимосвязи отраслевой концепции (конструкция - материал - технология) пока не интегрированы в строительную сферу.Цементные композиции, которые затвердевают в течение длительного времени, не соответствуют требованиям к производительности BD-печати. Композиция должна быть тиксотропной, то есть снижать вязкость от механического воздействия и увеличивать вязкость в неактивном состоянии. Возможным решением для строительной печати является сернистый бетон, который представляет собой композитный материал, изготовленный из серы и наполнителя. Смесь нагревают выше температуры плавления серы. После охлаждения бетон достигает желаемой прочности без длительного твердения.
Время, когда строительство и архитектура стремятся к инновациям и технологическому прогрессу, BD-печать строительных объектов выступает как одна из наиболее обещающих сфер. Данная технология преобразует методы создания зданий, способствуя более рациональному использованию ресурсов, улучшению дизайна и ускорению процессов строительства. В центре этого прорыва находится бетон, играющий ключевую роль в адаптации BD-печати к строительным нуждам. Успешная интеграция бетона в BD-печать требует углубленного изучения его свойств, оптимизации составов для печати сложных структур. При проектировании состава фибробетона для BD-печати необходимо учитывать консистенцию бетонной смеси для получения требуемой обрабатываемости. Исходя из того, что основным методом производства бетона для аддитивных технологий BD является метод послойной укладки, оптимизация соотношения водного вяжущего и достижение требуемой консистенции были достигнуты за счет применения суперпластификатора PFM-NLK и добавок Murapor Kombi 756.
Данная статья посвящена обзору устройств для строительной печати. Рассмотрено понятие строительного принтера, его достоинства и недостатки, характеристики оборудования конкретного производителя, определен основной состав бетонной смеси для печати. Также изучен вопрос актуальности и
рациональности применения строительных принтеров при возведении малоэтажных зданий и сооружений. В качестве методов исследования применялись описательный и аналитический.
SD-принтер в строительстве - устройство для производства физического объекта с применением метода экструдирования на основе цифровой 3D-модели. Принцип работы основывается на экструзии (выдавливании) послойно специальной смеси по заданной трехмерной компьютерной модели. Смесь загружается в бункер устройства, откуда подается к головке принтера.
Для повышения пластичности и степени структурирования было увеличено количество Murapor Kombi 756. Объем воды также был уменьшен, так как эта добавка снижает потребность в воде. В результате пластичность смеси была недостаточной, под давлением происходило выделение воды и уплотнение высушенной смеси в цилиндре.
Таблица 1.
№ п/п Компонент Расход на 1 [m3]
1 Цемент 560 [кг]
2 Кварцит песчаник 190 [кг]
3 Мурапор Комби 756 11.2 [кг]
4 Песок 1250 [кг]
5 Вода 210 [кг]
6 Базальтовое волокно 16,8 [кг]
Эта смесь показала высокие результаты обрабатываемости, обладала высокой пластичностью. Под давлением 100 кгС она была хорошо структурирована даже при укладке сразу в несколько слоев, не растекалась.
Таблица 2.
№ п/п Компонент Расход на 1т3
1 Цемент 560 [кг]
2 Кварцит песчаник 190 [кг]
3 Гипс 28 [кг]
4 Мурапор Комби 756 11,2 [кг]
5 Песок 1250 [кг]
6 Вода 225 [кг]
7 Базальтовое волокно 16,8 [кг]
Эта композиция была создана путем добавления в состав 5 гипса в объеме 5% от массы цемента для ускорения времени схватывания, что играет важную роль при 3D-печати. Это позволит за короткий промежуток времени наложить несколько слоев друг на друга. Добавление гипса привело к увеличению водопотребления смеси, в результате чего объем воды был увеличен. Эта смесь обладала свойствами композиции 5, и затвердевание происходило в течение 1 часа.
В результате экспериментальных исследований различных составов и внесения поправок, учитывающих изменения технологических свойств смесей, были получены оптимизированные составы мелкозернистого бетона для 3D-печати по двум основным вариантам.
Результаты определения прочностных характеристик разработанных композиций фибрабетона.
Таблица 3.
Номер Проч- Предел Средняя плотность Класс Класс
ность на прочности при на момент прочност прочности при
сжатие, растяжении при испытания, [кг/m3] и при растяжении
[MPa] изгибе, [МРа] сжатии при изгибе
5 44.8 8.43 2180 В35 ВЛ 6.0
6 46.5 8.51 2200 В35 ВЛ 6.0
Основными свойствами, определяющими долговечность бетона, в первую очередь являются морозостойкость, его коррозионная стойкость, а также коррозионная стойкость арматуры в бетоне, которые обеспечиваются прочностью и плотностью структуры.
Строительные 3D-принтеры в зависимости от типа привода и принципа работы бывают следующих видов: • портальные, • принтеры с дельта-приводом (трехосевые), • принтеры-манипуляторы и крановые. Движение портальных принтеров осуществляется по рельсам, над рабочей зоной расположена рама устройства, по которой двигается экструдер и подает строительную смесь. В качестве привода используются шаговые двигатели. Портальный привод отличается простотой, надежностью и относительно невысокой стоимостью установки (рисунок 2).
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Принтеры с дельта-приводом состоят из трех тросов и штанг, которые перемещают печатающую головку на линейных приводах. Основа конструкции - зафиксированная металлическая ферма. В таком устройстве обеспечивается большая подвижность печатающего устройства, но ограничивается площадь печати (рисунок 3).
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Принтеры-манипуляторы используют роботизированную руку для передвижения печатающей головки. Они мобильны и имеют большую гибкость (рисунок 4). Крановые принтеры внешне напоминают башенный кран и устанавливаются в центре возводимого объекта, а не по его периметру, как в предыдущих случаях. Основным достоинством является упрощенный процесс подготовительных работ по установке устройства на строительной площадке.
Для строительных принтеров в качестве рабочего материала применяют мелкозернистые бетонные смеси и растворы, которые должны обладать рядом реологических свойств для обеспечения возможности послойного создания конструктивных элементов здания. К показателям такой смеси относят: удобоукладываемость, условную вязкость, консистенцию вяжущего теста. Бетонную смесь для строительного принтера можно изготовить на строительной площадке, подобрав состав и соотношение компонентов индивидуально, или возможно приобрести готовую сухую смесь у производителей, специализирующихся на продаже 3D-принтеров.
Подводя итоги, хочется отметить, что основной задачей данной статьи являлось изучение устройств для строительной печати, обзор основных видов принтеров в зависимости от типа привода и их характеристик, изучение достоинств и недостатков при применении строительных принтеров в строительстве.
В целом необходимо отметить, что различные цифровые технологии являются наиболее эффективными способами для повышения рациональности работы и использования ресурсов в строительной сфере. Именно благодаря данным технологиям происходит автоматизация различных процессов и появляется возможность значительного удешевления строительства. Данное направление требует более глубокого и детального развития с целью создания инновационных технологий, позволяющих повысить эффективность на различных этапах строительства.
В заключение, технология 3D-печати представляет собой мощный инструмент для радикального преобразования строительной отрасли, делая ее более адаптивной, экономичной и доступной для широких слоев общества. Эта технология обещает стать ключевым элементом в решении социальных и экономических проблем, связанных с обеспечением доступного жилья и устойчивым развитием городской инфраструктуры, открывая новые возможности для улучшения качества жизни населения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Kreiger M.A., MacAllister B.A., Wilhoit J.M., Case M.P. The current state of 3D printing for use in construction // The Proceedings of the 2015 Conference on Autonomous and Robotic Construction of Infrastructure: Ames. Iowa. 2015, pp. 149 - 158;
2. Gálvez J.A. Not Just a Pretty Face: Three-Dimensional Printed Custom Airway Management Devices. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2016, pp. 160 - 165;
3. Herderick E.D. Additive Manufacturing in the Minerals, Metals, and Materials Community: Past, Present, and Exciting Future // JOM. 2016, pp. 721 - 723;
4. Rózycka, A., Kotwica, L. "Waste Originating from the Cleaning of Flue Gases from the Combustion of Industrial Wastes as a Lime Partial Replacement in Autoclaved Aerated Concrete." Materials., 15(7), 2022, pp. 2576-2589
Kudaibergen A.Zh., Atigollin Zh.B.
Kudaibergen A.Zh.
L.N. Gumilyov Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
Atigollin Zh.B.
L.N. Gumilyov Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
FIBER-REINFORCED CONCRETE FOR 3D ADDITIVE TECHNOLOGIES
Abstract: the search for new opportunities in construction that allow achieving effective success, reducing labor intensity and shortening the construction time of buildings is very relevant today. The article discusses the concept and operating principle of a construction 3D printer. Fiber-reinforced concrete used in 3D printing differs significantly from conventional heavy concrete, which is determined by the increased cement consumption, low water-cement ratio and the absence of large aggregates. The types of construction printers are defined depending on the drive arrangement. The materials used for extrusion and the main composition of the concrete mixture for printing are described. The use of high-grade cements and economical sand concretes, as well as improving the properties of concrete through additives and fibers, ensures the strength and durability of structures. Innovations in materials, including clay and kaolin mixtures, expand the capabilities of 3D printing, making it a competitive alternative to traditional construction methods.
Keywords: construction 3D printer, construction, innovative technologies, fiber concrete.
