3D‑печать ограждающих конструкций полистиролбетоном

РЕФЕРАТ. Роботизация строительства посредством применения аддитивных технологий — одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности труда в строительной сфере. Предложенная в статье и защищенная патентом технология 3D‑печати ограждающих конструкций полистиролбетоном позволяет за один проход формировать рабочий слой толщиной 70—100 мм утепленным материалом на всю ширину стены. В печатающую головку 3D‑принтера подается цементно-песчаный раствор с невспененными гранулами суспензионного полистирола. Попадая между электродами, посредством форсированного электроразогрева, раствор быстро нагревается до температуры вспучивания полистирола. Таким образом, в термореакторе печатающей головки образуется теплоизоляционно-конструкционная смесь, из которой формируется рабочий слой стены. Исследования эксплуатационных характеристик полученного материала показало его пригодность для устройства ограждающих конструкций отапливаемых зданий и строительства в целом.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D‑печать, полистиролбетон.

Keywords: additive fabrication, 3D printing, expanded polystyrene concrete.

Введение

С развитием цифровых технологий все более актуальными становятся автоматизация и роботизация производственных процессов. В строительстве, где доля ручного труда существенно выше, чем в промышленности, одно из перспективных направлений повышения его производительности — широкое применение аддитивных технологий [1, 2]. Для 3D‑печати в опытном порядке применяют 3D‑принтеры различных конструкций (портальные, трехопорные, радиальные и др.) [3—5]. Используют различные материалы печати: глину, гипс, песок, поли­уретан [6, 7], однако чаще всего строители обращаются к привычным для них композициям на основе цемент­ного вяжущего.

Традиционно ограждающие конструкции обустраивают в два этапа: сначала методами 3D‑печати формируется несъемная опалубка, а затем ее заполняют конструкционным или теп­лоизоляционным материалом. В этом случае удается роботизировать не более 40—50 % трудозатрат.

Важнейшей частью конструкции строительного 3D‑принтера является печатающая головка, которая отвечает за послойную укладку вяжущего материала на рабочую поверхность. В классическом исполнении в ней совмещаются сопло, экструдер и механизм подачи смеси. При печати тяжелой цемент­но-песчаной смесью она способна выдавливать ворм (worm — ​червяк) диаметром 20—40 мм, позволяющий формировать слой вяжущего материала шириной не более 60 мм и высотой до 40 мм.

Данная технология формирования ограж­дающих конструкций зданий имеет ряд недостатков:

• невозможно отливать ограждающую конструкцию сразу на всю ее толщину: сначала аддитивно изготавливают несъем­ную цементно-песчаную опалубку, а затем ее полости вручную заполняют конструкцион­ным бетоном, воспринимающим нагрузку перекрытия, и материалом для тепло­изоляции (рис. 1);
• требуется относительно быстрое отверж­дение материала печати или технологические паузы, чтобы предупреждать расплывание нижележащего слоя под давлением уложенных на него последующих слоев;
• при этом, чтобы избежать застревания смеси внутри систем хранения и доставки 3D‑принтера, материал печати не должен отвердевать чрезмерно быстро или должна быть возможность регулировать сроки его схватывания;
• чтобы несъемная опалубка приобрела необходимую прочность, требуются определенные условия твердения (положительная температура окружающей среды), т. е. производство работ летом, либо в теп­ляке зимой.

Рис. 1. Ограждающая конструкция отапливаемого здания, выполненная по традиционной аддитивной технологии, частично заполненная конструкционным бетоном и частично — ​утеплителем

Перечисленные недостатки тормозят широкое внедрение аддитивных технологий в строительное производство. Логика развития строительства требует разработки полностью роботизированной технологии возведения строительных конструкций, которая должна исключить эти недостатки.

3D‑печать ограждающих конструкций полистиролбетоном

Чтобы преодолеть отмеченные недостатки 3D‑печати, предложено применять технологию форсированного разогрева полистиролбетона с невспененными гранулами полистирола (одностадийную технологию). Для ее реа­лизации готовят печатающий мате­риал — ​смесь из пес­ка, цемента, воды, фибры и гранул вспенивающегося суспензионного полистирола сферической формы со средним размером (диаметром) зерен 0,45—0,85 мм, которые имеют один порядок плотности с цементно-песчаной смесью и при перемешивании равномерно распределяются по всему ее объему.

Суспензионный полистирол получают пу­тем полимеризации стирола в среде изопен­тана. При температуре 28 °C изопентан, за­жа­тый в грануле между пленками полистирола, образующими массив материала, переходит в газообразное состояние, увеличиваясь в объеме, однако не может преодолеть сцепление пленок полистирола. Достигнув температуры перехода (80 °C), полистирол становится пластичным, и под действием внутреннего давления газа его гранулы вспениваются, многократно увеличиваясь в объе­ме (рис. 2). При этом часть газообразного изопентана через разрывы в пленках выходит в окружающую среду, а часть его некоторое время остается внутри гранул, постепенно замещаясь воздухом и водяным паром.

Рис. 2. Микрофотография внутренней структуры гранулы суспензионного полистирола после вспенивания

Через систему доставки печатающий материал с невспененными гранулами полистирола поступает в печатающую головку 3D‑принтера и укладывается на рабочую поверхность между двумя пластинчатыми электродами печатающей головки, перемещающимися вместе с ней (рис. 3). Подаю­щийся на электроды ток, проходя через уложенную полистиролбетонную смесь, быстро нагревает ее до 80 °C. Гранулы полистирола вспениваются в печатающей головке непосредственно в массе цементно-песчаного раствора, уплотняя его и превращая в теплоизоляционно-конструк­ционный материал с равномерно распределенным по объему утеплителем — готовый полистиролбетон в виде слоя (рис. 4 и 5).

Рис. 3. Принципиальная схема печатающей полистиролбетоном головки 3D‑принтера: 1 — ​экструдер, 2 — ​система подачи цементно-песчаной смеси, 3 — ​выпускное отверстие (сопло), 4 —​ печатающий материал с невспененными гранулами полистирола, 5 — ​ранее отформованные слои полистиролбетона, 6 — ​прижимной диэлектрический шпатель, 7 — ​стальные шпатели-электроды с технологическими отгибами, 8 — ​отформованный слой полистиролбетона со вспененными гранулами полистирола, 9 — ​питающая электросеть, 10 — ​питающие кабели от электросети

Рис. 4. Принципиальная схема технологического процесса печати ограждающей конструкции полистиролбетонной смесью: 1 — ​система подачи вяжущего материала, 2 — ​питающая электросеть устройства подогрева полистиролбетонной смеси в экструдере, 3 — ​экструдер, 4 — ​полистиролбетонная смесь с невспененными гранулами суспензионного полистирола, 5 — ​зона, в которой печатающий материал достигает температуры перехода (80 °C) и суспензионный полистирол вспенивается, 6 — ​прижимной диэлектрический шпатель, 7 — ​отформованный слой полистиролбетона со вспененными гранулами полистирола, 8 — ​стальные шпатели-электроды с технологическими отгибами, 9 — ​выпускное отверстие (сопло), 10 — ​устройство подогрева полистиролбетонной смеси в экструдере

Рис. 5. Печатающая головка (а) и рабочий слой полистиролбетона (б), выходящий из нее при печати

Предложенная технология защищена патентом [8] и отличается новизной подхода к решению проблемы. К ее преимуществам относится следующее:

• не нужно сначала формовать опалубку, а затем вручную заполнять ее конструк­цион­ным и теплоизоляционным материалом: печатающий материал укладывается сразу на всю ширину стены. Процесс возведения ограждающей конструкции на 100 % роботизирован;
• в качестве печатающего материала используется цементно-песчаный раствор с невспененными гранулами полистирола, имеющими такой же порядок плотности, как у этого раствора. Во время приготовления смеси гранулы суспензионного полистирола, в отличие от предварительно вспененных по традиционной технологии, не всплывают, а равномерно распреде­ляются по объему цементно-песчаного раствора;
• на выходе печатающей головки слой полистиролбетона имеет температуру 80— 90 °C, в силу чего, еще находясь между электродами, он теряет подвижность. При новом проходе принтера этому слою не грозит расплывание под давлением слоев, уложенных выше;
• изменяя количество полистирола в исходной смеси, можно придавать готовому продукту бóльшую прочность или лучшие теплотехнические характеристики;
• в силу наполнения готового продукта теп­лоизолирующими гранулами возрас­тают продолжительность его остывания в холодную погоду и приобретаемая проч­ность. Следовательно, в районах с умеренно холодным климатом возможно круг­логодичное строительство, при этом не нужен дорогостоящий тепляк, без которого в северных широтах обычные строи­тельные 3D‑принтеры работать не могут.

В лабораторных условиях был изготовлен 3D‑принтер с экспериментальной печатающей головкой и проверена его работоспособность. В результате проведенных испытаний было установлено, что печатающая головка, перемещаясь со скоростью 0,25 м/мин, формирует устойчивый рабочий слой из полистиролбетона сечением 150 × 70 мм (рис 5). Печатающий материал выходит из термореактора печатающей головки потерявшим подвижность, с температурой 85—90 °C. При реализации технологии может использоваться для термообработки переменный электрический ток от источников с напряжением 220 и 380 В, а также с промежуточными значениями последнего. Изменение напряжения влияет на скорость нагрева смеси и вспенивания полистирола, а следовательно, на скорость перемещения печатающей головки, что существенно влияет на производительность процесса 3D‑печати.

Основные свойства полистиролбетона, полученного в термореакторе печатающей головки

Была исследована возможность применять полученные при 3D‑печати образцы полистиролбетона как материала для возведения при строительстве отапливаемых зданий их наружных и внутренних стен, которые должны обеспечивать теплозащиту помещений и воспринимать нагрузку перекрытий.

Полистиролбетон, согласно ГОСТ Р 51263—2012, имеет максимальную марку по плотности D600, применяется в основном как утеплитель и не подходит в качестве конструкционного материала для воспринятия нагрузок от стандартных перекрытий, по­этому для изготовления модельных образцов для испытаний были выбраны легкие бетоны марок по плотности D700 и D1200 в соответствии с ГОСТ 25820—2014. Для изготовления образцов использовали следую­щие материалы: портландцемент ПЦ 42,5Н (ГОСТ 31108—2020, АО «Искитимцемент»), песок строительный по ГОСТ 8736—2014, вспененный полистирол ПНГ по OCT 301—05—202—92E, невспененный полистирол ПНГ по OCT 301—05—202—92E, добавку СДО по ГОСТ 24211—2008, воду.

Составы полистиролбетона приведены в табл. 1.

Чтобы сравнить свойства получаемого полистиролбетона и материала, изготовленного по стандартной технологии (с заранее вспененными гранулами), изготавливали образцы для исследования теп­лопроводности, прочности и равномерности распределения полистирола в растворной смеси.

Теплопроводность и равномерность распределения гранул полистирола в полистиролбетоне. Изготовленный по одностадийной технологии опытный блок размерами 250 × 250 × 200 мм из полистиролбетона распиливали на горизонтальные плиты размерами 250 × 250 × 50 мм (рис. 6) и высушивали их при температуре 60 °C до постоянной массы. Теплопроводность материала плит (слоев) измеряли методом стационарного теп­лового потока при помощи прибора ПИТ‑2. Показатель неравномерности распределения гранул определяли как отношение разности значений теплопроводности материала 1-го и 4-го слоев к теплопроводности материала 1-го слоя (табл. 2).

Теплопроводность по вертикальному профилю для образцов, полученных со вспениванием полистирола внутри цементно-песчаного раствора, практически одинакова, в то время как при стандартной технологии изготовления полистиролбетона с использованием заранее вспененных гранул теплопроводность по вертикальному профилю заметно различается: налицо флотация легких фракций, что делает материал значительно более неоднородным и может привести к ухудшению эксплуата­ционных характеристик конструкции.

Технология 3D‑печати со вспениваемым полистиролбетоном обеспечивает стабильность теплопроводности материала стен и ее соответствие заданным показателям.

Прочность полистиролбетона на сжатие определяли по стандартной методике (ГОСТ Р 51263—2012 п. 8.8 и ГОСТ 10180—2012) путем испытания выпиленных из массива образцов бетона на лабораторном прессе ПСУ‑50. Образцы выпиливали из отформованной конструкции и выдерживали в нормальных условиях до момента испытания.

Результаты испытаний (табл. 3) показывают, что прочность образцов, изготовленных посредством предлагаемой методики 3D‑печати, примерно на 16 % выше прочности образцов, полученных по стандартной технологии печати смесью с предварительно вспененным полистиролбетоном, что, скорее всего, является следствием стабильного распределения гранул полистирола, имеющих низкую прочность, по объему растворной смеси.

Качество сцепления слоев полистиролбетона в напечатанной конструкции — один из основных вопросов при принятии решения об использовании технологии 3D‑печати. В отсутствие надежного соединения отформованных слоев друг с другом конструкция не будет монолитной, и в этом случае возможно ее разрушение.

Предлагаемая технология 3D‑печати полистиролбетоном подразумевает разогрев до 80—90 °C и укладку печатающего материала непосредственно на уже частично остывший слой, уложенный ранее. В этом случае в зоне между слоями возникает температурный градиент. Ранее уложенный при температуре термообработки 80—90 °C слой еще в период разогрева теряет подвижность и быстро начинает твердеть, формируя капиллярную систему. Предполагается, что при перепаде температур в 60—70 °C возникает градиент влажности и формируется мощный поток жидкой части растворной смеси из зоны высоких температур в зону более низких. Жидкая фаза устремляется по капиллярам вглубь ранее уложенного слоя, продукты твердения цемента формируют новообразования в теле ранее уложенного бетона, тем самым превращая смежные слои в единый монолит.

Поскольку сложно проводить натурные испытания зоны сцепления слоев полистиролбетона, уложенного 3D-принтером, данное предположение проверяли на физической модели. Из полистиролбетона были отформованы образцы 100 × 100 × 100 мм с закладными деталями (рис. 7). Состав полистиролбетона принимали аналогичным составу образцов для исследований теплопроводности и проч­ности (2-я строка табл. 1). После термообработки, остывания и частичного созревания (пока принтер проходил по периметру здания) образцы закладывали в формы и в непосредственном контакте с ними укладывали и разогревали новый полистиролбетон с закладной деталью. Далее образцы твердели в нормальных условиях.

По истечении 28 сут образцы испытывали на разрыв в разрывной машине МИ40КУ (рис. 8).

Рис. 7. Подготовка образцов полистиролбетона для исследования сцепления между слоями

Рис. 8. Испытание образцов полистиролбетона на растяжение: а — схематический вид образца, подготовленного к испытанию; б — ​образец в разрывной машине. 1 — ​подложка, 2 — ​образец верхнего слоя, 3 — ​анкер

Результаты испытаний (табл. 4) показы­вают, что с ростом градиента температур при укладке смежных слоев предел прочности такой конструкции при осевом растяжении растет, что свидетельствует о повышении качества сцепления слоев полистиролбетона. Подтверждает качество сцепления характер поверхности разлома по контакту образцов (рис. 9): фрагменты материала подложки вы­рваны из поверхности образца и надежно закрепились на поверхности образца верхнего слоя.

Рис. 9. Поверхность разрыва образцов полистиролбетона, имитировавших смежные слои конструкции, полученной при помощи предложенной технологии 3D‑печати

Заключение

Предложенная и разработанная в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) аддитивная технология устройства утепленных ограждающих конструкций позволяет возводить при помощи 3D‑принтера строительные конструкции из полистиролбетона, в том чис­ле с полной роботизацией этого процесса.

Путем эксперимента получены образцы стенового материала с теплопроводностью 0,12—0,2 Вт/(м · K) и прочностью 7,5—12,7 МПа, при прочности сцепления между слоями 0,4—0,75 МПа.

Технология, совмещающая метод быстрого электроразогрева бетонной смеси и принципы 3D‑печати, позволяет получить следующие преимущества:

• печатать слой утепленного материала со стабильной теплопроводностью толщиной до 100 мм на всю ширину стены за один проход 3D‑принтера;
• путем дозирования суспензионного полистирола регулировать теплоизоляционные и прочностные свойства материала стены;
• вследствие высоких температур термообработки смеси в печатающей головке 3D‑принтера, при выходе из нее сформированный слой быстро теряет подвижность и его можно загружать новым слоем, не опасаясь осадки;
• в силу хороших теплоизоляционных свойств материал печати длительно сохраняет тепло после термообработки, в ре­зультате напечатанная конструкция быстро приобретает прочность даже в умеренно холодную погоду.

При этом, как любое новое техническое решение, технология имеет ряд вполне преодолимых недостатков, к которым относятся растрескивание рабочего слоя для некоторых составов смеси, недостаточная прочность материала при чрезмерном дозировании суспензионного полистирола и др. Нами намечены исследования этих явлений и в некоторых случаях уже получены положительные результаты [9]. Планируется отработка процессов печати в производственных условиях.

Благодарность

Исследование выполнено при финансовой поддержке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) в рамках конкурса 2021 года на право получения финансирования внут­ренних грантов НГАСУ «Создание и запуск 3D‑прин­тера для строительной печати ограждающих конструкций зданий» в целях реа­лизации комплексной программы развития университета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лунева Д.А., Кожевникова Е.О., Калошина С.В. Применение 3D‑печати в строительстве и перспективы ее развития // Вестн. Пермского национального исслед. политехн. ун-та. Строительство и архитектура. 2017. Т. 8, № 1. С. 90—101.

2. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Анализ существующих технологических решений 3D‑печати в строительстве // Вестн. МГСУ. 2018. Т. 13, № 7. С. 863—876.

3. 13 лучших строительных 3D‑принтеров 2019 года [Электронный ресурс]. URL: https://epo3d.com/blog/76_13-luchshikh-stroitelnykh‑3d-printerov‑2019-g (дата обращения 27.03.2025).

4. Абрамян С.Г., Илиев А.Б. Современные строительные аддитивные технологии. Ч. 1 // Инж. вестн. Дона. 2018. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://2.1.11.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4755 (дата обращения 27.03.2025).

5. Абрамян С.Г., Илиев А.Б. Современные строительные аддитивные технологии. Ч. 2 // Инж. вестн. Дона. 2018. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://2.1.11.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4748 (дата обращения 27.03.2025).

6. Мухаметрахимов Р.Х., Вахитов И.М. Аддитивная технология возведения зданий и сооружений с применением строительного 3D‑принтера // Изв. КГАСУ. 2017. № 4. С. 350—359.

7. Серков А.И. Развитие технологии трехмерной печати в области строительства // Региональное развитие: электронный научно-практический журнал. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-tehnologii-trehmernoy-pechati-v-oblasti-stroitelstva?yscl... (дата обращения 27.03.2025).

8. Патент РФ № 2739244. МКП B 29C 64/106, B 29C 64/20, E 04B 2/02, B 33Y 10/00, B 33Y 30/00. Устройство и способ для изготовления теплоизолирующих стен из полистеролбетона при помощи 3D‑принтера: № 2019111592; заявл. 16.04.2019; опубл. 16.10.2020 / Молодин В.В., Васенков Е.В.

9. Чиркунов Ю.А., Пикмуллина Е.О., Молодин В.В., Лапидус А.А. и др. Решение проблемы растрескивания при 3D‑печати ограждающих конструкций полистиролбетоном с использованием подмодели модели динамического деформирования трансверсально-изотропной термоупругой среды // Изв. вузов. Строительство. 2022. № 4. С. 99—108.

Автор: В.В. Молодин

Рубрика: Бетон

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D‑печать, полистиролбетон