Современные тенденции применения светопроницаемых бетонов

РЕФЕРАТ. Основная задача настоящей статьи — ​оценить возможность разработки технологии изготовления светопроводящих бетонных изделий методом послойной укладки бетонной смеси и полимерных смол. Существующие светопроводящие бетоны (light transmitting concrete — ​LiTraCon или LTC) можно получить путем введения в бетонную смесь ориентированных светопроводящих волокон (световодов). Особенности технологии получения таких бетонов — ​необходимость применять специальные формы, оснащенные устройствами крепления световодов, большие затраты на материалы и трудоемкость операций. Если использовать полимерные смолы вместо светопроводящих волокон, то можно упростить технологию, сохраняя при этом механические свойства материала. Полимерные смолы, введенные в состав при формировании материала, взаимодействуют с бетонной смесью и образуют плотную зону контакта между слоями затвердевшей смолы и бетона. Основная проблема подобного решения — ​взаимопроникновение вязкопластичных компонентов друг в друга и, как следствие, снижение декоративности и светопроницаемости готовых изделий. Авторы настоящей статьи предлагают обеспечивать при изготовлении изделий сопоставимые реологические характеристики бетонной и полимерной составляющих за счет подбора исходных компонентов бетонной смеси и выполнять тонкослойную аддитивную укладку слоев материала. Полученные результаты показывают принципиальную возможность разработки такой технологии и будут использованы для дальнейших исследований.

Ключевые слова: светопроводящий бетон, эпоксидная смола, отсев дробления бетонного лома, механическая активация, реология, аддитивные технологии.

Keywords: light transmitting concrete, light transparent concrete, epoxy resin, concrete fines, recycling, mechanical activation, rheology, additive technology.

Введение

Экономическое и социальное развитие современных городов приводит к уплотнению застройки и повышению этажности зданий и сооружений. В таких условиях часто снижается инсоляция помещений и значительно возрастает значение искусственного освещения, а соответственно увеличиваются и энергозатраты. Попадание света в помещения обеспечивается за счет традиционных светопрозрачных фасадных систем, однако с декоративной точки зрения достаточно сложно получить запоминающийся фасад здания. Одно из альтернативных решений — применение светопроводящего (или светопрони­цаемого, translucent concrete) бетона.

Первые исследования с целью получить светопроводящие бетоны начались еще в 1950-х годах. Идею декоративного светопроводящего бетона представил в 2001 году архитектор Арон Лошонци (Aron Losonczi, Вен­грия), и уже в 2003 году он изготовил и применил в строительстве бетонные изделия, названные LiTraCon (от Light Transmitting Concrete, в настоящее время распространено сокращение LTC), получив соответствую­щие патенты [1, 2]. LiTraCon представлял собой композиционный материал с матрицей из мелкозернистого бетона, в которой сонаправленно располагались светопроводящие волокна (световоды). Такой светопроводящий бетон может отличаться высокой декоративностью, устойчив к сжимающим (до 50 Н/мм²) и изгибающим нагрузкам (до 7 Н/мм²), изделия из него могут иметь различную форму и размеры, их можно использовать для возведения стен высотой в несколько метров. Блоки светопроницаемы, но полностью не прозрачны, и рассмотреть изображение за ними можно только в виде силуэтов объектов, находящихся вблизи конструкции с осве­щенной стороны. Для изготовления материа­ла требуются оптимальные температурно-влажностные и технологические условия и квалифицированный персонал, из-за чего его затруднительно изготовить прямо на строительной площадке.

Большинство свойств традиционного светопроводящего бетона обусловлены типом светопроводящего элемента — ​оптического волокна. Необходимость вводить это волокно в бетонную матрицу перпендикулярно рабочим поверхностям элемента, а также шлифовать и полировать поверхность бетона после его затвердевания — ​это основные причины сложности производства и высокой стоимости готового продукта (по данным 2019 года, около EUR 750 за 1 м² стены толщиной 2,5 см).

Технология получения элементов из светопроводящего бетона достаточно отработана в разных странах. С их применением уже построены павильон Италии на выставке «Шанхай-Экспо 2010», здания Банка Джорджии (США), Аахенского университета (Германия), мечети Аль-Азиз (ОАЭ), городской биб­лиотеки Штутгарта (Германия), декоративных Европейских ворот (Венгрия) и др. (часть из них показана на рис. 1). Наиболее известные производители светопроводящих бетонов — компании Lucem Lichtbeton и Heidelberg Materials (Германия), Luccon Lichtbeton (Авст­рия), Litracon (Венгрия), в России наиболее известны проек­ты компании «Иллюминарт». Решаемые исследователями задачи в основном касаются оптимизации процесса укладки световодов в бетонной матрице и повышения прочностных и эксплуатационных свойств материала.

Рис. 1. Примеры применения светопрозрачного бетона в мировой строительной практике: а — городская библиотека Штутгарта (светопроводящий бетон формирует крышу); б — мечеть Аль-Азиз в Абу-Даби (декоративные надписи в стенах сделаны из светопроводящего бетона); в — павильон Радхаус, Германия (светопроводящий бетон использован для стен второго этажа); г — павильон Италии на выставке «Шанхай-Экспо 2010», Китай (светопроводящие бетонные блоки составляют самонесущую ограждающую конструкцию); д — здание Центрального дома предпринимателя, Москва (цвет элементам придает светодиодная подсветка); е — интерьер павильона Италии (виден характер освещения при прохождении светового потока сквозь бетон)

Основные направления исследований в об­ласти светопроводящего бетона в мире — ​замена дорогих световодов более дешевыми аналогами, снижение массы конструкций и разработка более простой технологии распределения светопроводящих элементов в них.

Существуют различные материалы, которые можно использовать для формирования светопроводящего компонента такого бетона, на­пример стекло, светопрозрачный камень и др. [3, 4]. Чаще всего используется традицион­ное оптическое полимерное стекловолокно (световод) на основе полиметилметакрилата, характеризующееся низким поглощением и рассеянием волн и, как следствие, высоким значением пропускаемого волокном светового потока. Такое волокно может иметь различный диаметр (что позволяет достаточно просто подобрать рас­ход световодов [м/м³] в зависимости от требуемых светопроводящих характеристик бетонного изделия), кроме того, при его применении сни­жается средняя плотность бетона.

Иные способы снижения плотности светопроницаемых бетонов рассматриваются, например, в работе [5], автор которой исследовал возможность использовать в качестве мат­рицы изделия из легких бетонов — ячеистых или на пористых заполнителях. Такое решение позволяет повысить теплоизоляцион­ные свойства ограждающей конструкции, но плотные полимерные световоды по-прежнему остаются в ней мостиками холода.

В работе [6] рассмотрена возможность применять светопроводящие элементы со сложной геометрической конфигурацией, получаемые методом отверждения прозрачной смолы в силиконовых формах (рис. 2). После отвердевания эти элементы помещали в металлические формы, в которые затем укладывали бетонную смесь для изготовления мелкозернистого бетона. Такое решение позволило обеспечить требуемую прочность композита, вариативность геометрической конфигурации получаемых светопроводящих элементов и высокую проводимость света у готового изделия. Тем не менее прочность сцепления матрицы и световода между собой была низка, а их контактная зона оказалась слабым местом изделия.

Рис. 2. Светопроводящий элемент со сложной геометрической конфигурацией после извлечения из силиконовой формы (а) и готовый образец бетона со шлифованной поверхностью (б) [6]

В работе [7] было предложено применить заранее отливаемые прямоугольные пластины из светопроводящего материала в матрице из мелкозернистого бетона (рис. 3). Показатели прочностных и декоративных свойств композита при таком решении оказались достаточно высокими. Недостатком по-прежнему оставалась непрочная контактная зона между элементами, но в данном случае ее влияние на прочность изделия нивелировалось работой бетонной матрицы и распределением внутренних напряжений преимуще­ственно по этой матрице.

Рис. 3. Панель из светопроводящего бетона с шахматной укладкой плоских светопроводящих элементов [7]

Один из авторов настоящей статьи ранее предложил идею о том, что изделия из светопрозрачного бетона можно получить методом послойной укладки мелкозернистого бетона и прозрачной эпоксидной смолы [8]. Основной целью исследования была в том, чтобы определить возможность формирования светопроводящего элемента в бетонной матрице с использованием прозрачных полимерных смол. Эти смолы широко используются в строительстве в качестве компонентов композиционных материалов, клеев и др. Выбор таких смол широк (например, это может быть эпоксидная или акриловая смола), а при использовании современных пигментов и добавок можно получить бетон с высокой декоративностью.

Также в результате предыдущих исследований в области декоративных бетонов с использованием отсевов дробления бетонного лома [9] было показано, что использование подобных отсевов фракции 0,063 мм и ниже незначительно ухудшает декоративные свойства цветных бетонных изделий. При этом введение пылевидной фракции отсевов дробления бетонного лома ухудшает реологические свойства бетонной смеси. Основные причины этого эффекта — высокая удельная поверхность и пористость отсева, что приводит к повышенному расходу воды при затворении бетонной смеси и снижению прочности бетона [10].

Для получения плотной структуры бетона с небольшим количеством капиллярных пор негативное влияние пылевидной фракции отсева дробления можно компенсировать путем введения в бетон пластифицирующей добавки [11]. В этом случае водоцементное отношение останется постоянным при поглощении части воды пылевидной фракцией, а поглощенная вода может переходить по мере твердения бетона обратно в матрицу. Вопросы использования мелких фракций дробленого бетона в качестве компонента при изготовлении мелкозернистых бетонных, газо- и пенобетонных изделий, а также технологические решения по производству тротуарной плитки отработаны, и показано наличие подобных эффектов для таких изделий [11—13].

Наиболее предпочтительный метод в технологии цветных изделий на основе отходов бетона — ​совместная механическая и химическая активация отсевов дробления бетона совместно с пигментами и вяжущим [14].

Исходя из рассмотренных выше предпосылок, бетонную смесь для получения высококачественных декоративных бетонных изделий было предложено использовать для получения светопроводящих бетонных изделий методом послойной укладки бетонной смеси и прозрачной эпоксидной смолы с чередованием прозрачного и непрозрачного слоев [8]. Основная проблема такого метода — ​различие в реологии слоев. Бетонная смесь и эпоксидная смола имеют разную среднюю плотность и могут смешиваться друг с другом. Проникновение частиц бетона в слой смолы и фрагментов смолы в слой бетона препятствует образованию прозрачного или отражающего слоя светопроводящего элемента на границах. Однако полимерная смола также может диффундировать и проникать в затвердевающий бетон, увеличивая прочность зоны контакта между слоями.

Для решения указанной проблемы можно уменьшить различие между реологическими характеристиками компонентов за счет введения разных заполнителей в бетонную смесь. Было выдвинуто предположение, что использование отсевов дробления бетонного лома в качестве мелкого заполнителя совместно с микрокремнеземом или его аналогами позволит не только приблизить реологию бетонной смеси к реологии эпоксидной смолы, но и сделать разрабатываемый материал более экономически и экологически эффективным за счет сниженной по сравнению с природным заполнителем стоимости и уменьшения количества бетонных отходов, попадающих на свалки. За счет механической активации отсевов можно дополнительно изменить реологические свойства смеси, сохранив при этом прочностные характеристики бетона. При этом послойную укладку компонентов можно выполнить аддитивным методом, чтобы обеспечить малую толщину слоев с минимальным их смешением между собой и, как следствие, повысить декоративность изделия за счет более сложного рисунка светопроводящих элементов.

Основная задача данного исследования — ​оценить возможность разработки технологии изготовления светопроводящих бетонных изделий методом послойной укладки бетонной смеси и полимерных смол.

Методы и материалы

Для выполнения поставленной задачи бы­ли приготовлены бетонные смеси с механоактивированной добавкой на основе отсевов дробления бетонного лома. В состав добавки входили поликарбоксилатный суперпластификатор, микрокремнезем, железооксидный пигмент и пылевидная фракция отсева дробления бетонного лома со средним размером зерен менее 0,063 мм. Состав смесей подбирали в соответствии с рекомендациями по подбору состава высококачественных бетонов. Исходные составы бетона были те же, что и в работе [8].

Для получения светопроводящих элементов использовались составы на основе двухкомпонентной эпоксидной смолы с отвер­дителем полиэтиленполиамином (ПЭПА). В ка­честве водоредуцирующих добавок для эксперимента были выбраны поликарбоксилатный гиперпластификатор «Полипласт СП СУБ» и традиционный нафталинсульфониловый суперпластификатор С-3 [8]. Для получения цветовых характеристик использовался железооксидный пигмент Lanxess Bayferrox. Отсев был получен в ходе дробления бетонного лома, образовавшегося в результате сноса несущих конструкций зданий, на дробильно-сортировочном комплексе полигона компании «Сатори». Для лабораторных исследований выбрали фракцию 0—5 мм измельченного бетонного лома, содержащую в том числе отсев дробления, со средней плотностью 2,1 г/см³, насыпной плотностью 1,3 г/см³, пористостью 7 %, пустотностью 38 %, маркой по дробимости 400. Использовались также сам отсев дробления бетонного лома в виде фракции менее 0,063 мм; портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства АО «Мордовцемент»; песок с модулем крупности 1,35 и количеством пылевидной фракции (0—0,14 мм), равным 5 %; микрокремнезем МКУ-85 и техническая вода.

Подобранные составы бетона испытывались с целью оценки их удобоукладываемости по ГОСТ 10181—2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний» и ГОСТ Р 57345—2016/EN 206—1:2013 «Бетон. Общие технические условия». Морозостойкость готового бетона и изменения размеров образцов при замораживании—оттаивании определяли по ГОСТ 10060—2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости», пористость и водопоглощение — по ГОСТ 12730.3—2020 «Бетоны. Метод определения водопоглощения», прочность на сжатие — согласно ГОСТ 18105—2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности», ГОСТ 10180—2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контроль­ным образцам» и ГОСТ Р 57345—2016/EN 206—1:2013. Все свойства определялись на образцах-кубах размерами 10 × 10 × 10 см.

Компоненты комплексной добавки смешивали после механической активации в два этапа: микрокремнезем, отсев дробления бетона и пигмент добавляли к цементу перед механической активацией, по завершении которой полученную смесь перемешивали с песком, а требуемый гиперпластификатор добавляли в воду затворения.

Компоненты упрощенных составов смеси смешивали при помощи лабораторного растворосмесителя без дополнительной подготовки и активации.

Экспериментальная часть

В первой серии экспериментов испытывали ранее разработанные составы с применением комплексной добавки [8] (табл. 1). Выбор указанных составов был обусловлен высокой декоративностью и эксплуатационными свойствами изделий из них, а также прочностью, сопоставимой с прочностью термообработанных эпоксидных смол по литературным данным. Форма для получения образцов представляла собой стандартную стальную емкость размерами 10 × 10 × 10 см, обработанную антиадгезионным составом на основе воска и дополнительно смазанную опалубочным маслом. Образцы светопроводящего бетона были изготовлены путем послойной укладки бетонной смеси и полимерной смолы в вязкопластичном состоянии горизонтально в указанную форму (рис. 4, в).

Рис. 4. Схема укладки бетонной смеси (БС) и эпоксидной смолы (Э) в форму: 1 — подающая головка; 2 — полимерный разделитель, прикрепленный к головке; 3 — тонкая пленка на основе мыла; стрелками показано направление движения

Исследованные бетонные смеси имели высокую плотность, а в затвердевшем бетоне присутствовало малое количество капиллярных пор. Высокая удельная поверхность механоактивированных компонентов позволяла им более эффективно участвовать в структурообразовании. Частицы пигмента, также измельченные при механоактивации, более равномерно распределялись по объему смеси, в результате чего цвет готового изделия получался более равномерным.

Непрореагировавшие зерна цемента пос­ле активации частично теряли инертную оболочку и могли вступать в реакции гидратации. Использованный в исследовании железооксидный пигмент менее интенсивно вымывался из плотной бетонной матрицы, благодаря чему снижалось влияние процессов эффлоресценции (в частности, процессов высолообразования) на декоративные свойства изделия. Плотная поверхность бетона прак­тически не теряла цвета после воздей­ствия агрессивной среды при испытании в камере соляного тумана.

Испытания на замораживание—​оттаивание показали высокую морозостойкость декоративного бетона как на поверхности, так и в теле бетонных элементов. Однако поверхностное отслаивание разработанного декоративного бетона могло проявиться значительно раньше срока, соответствующего марочному значению морозостойкости (что соответствует предыдущим исследованиям [15—17]).

Прочность конечной бетонной матрицы образцов с указанным составом была достаточно высокой, однако различие средней плотности бетонной смеси и жидкой эпоксидной смолы приводило к полному взаимопроникновению слоев друг в друга и помутнению смолы (табл. 2). При этом прочность бетона была больше, чем прочность эпоксидной смолы (разрушение образца шло и по зоне расположения смолы, и по контактной зоне). Прочностные характеристики оказались избыточными для изделий, соответствующих предполагаемой области применения светопрозрачных бетонов (штучных элементов ограждающих конструкций), поэтому было принято решение изменить составы на менее прочные и более связные.

Для второй серии экспериментов были выбраны упрощенные составы мелкозернистого бетона B 25 (табл. 3). Задача определения полного спектра характеристик бетонных смесей не ставилась, так как основной целью исследования была разработка практического способа укладки компонентов светопроницае­мого бетона. Пылевидную фракцию отсева дробления бетонного лома и микрокремнезем вводили, чтобы оценить их влияние на реологические свойства бетонной смеси и на проч­ность сцепления с бетонной матрицей.

Поскольку способ смазки форм для изготовления образцов предыдущей серии не обеспечил требуемых антиадгезионных характеристик, во второй серии экспериментов применяли стальные формы, проложенные изнутри прозрачной полиэтиленовой пленкой. Бетонную смесь и эпоксидную смолу укладывали в них следующими способами:

• вертикально-ориентированной подачи (рис. 4, а);

• вертикально-ориентированной подачи с пе­редвижным разделителем (рис. 4, б);

• горизонтально-ориентированной послойной укладки (рис. 4, в);

• горизонтально-ориентированной послойной укладки с твердым разделительным слоем в виде тонкой пленки на основе мыла (рис. 4, г).

Задача использованных разделителей состояла в том, чтобы предотвратить смешивание компонентов смеси, когда она находилась в вязко-пластичном состоянии (в начальное время формирования массива). Передвижной разделитель выполнен из листовой пластмассы, закреплен на подающем устройстве и передвигается вверх вместе с ним. Разделительная пленка на основе мыла, позволявшая избежать смешивания на начальном этапе, в дальнейшем растворялась при взаимодействии со свободной водой цементного теста (с возможностью дополнительного влиять на структурообразование в контактной зоне).

Образцы в формах твердели в нормальных условиях в течение суток, затем формы снимали и твердение бетона продолжалось в воздушных условиях.

Взаимопроникновение компонентов ма­териала оценивали визуально по соотношению усредненной видимой ширины полосы проходящего светового потока к установленной толщине слоя 10 мм.

Образцы испытывали на прочность в возрасте 28 сут методом одноосевого сжатия сонаправленно плоскости укладки слоев (т. е. слои композита располагались вертикально при сжатии на прессе). Метод нагружения был выбран исходя из возможности упрощенного наблюдения характера разрушения элементов «бетон — эпоксидная смола — контактная зона между ними» при разрушении. В дальнейших исследованиях целесообразно применять метод одноосевого сжатия параллельно плоскости укладки слоев, поскольку светопроводящие слои светопроводящих бетонов в основном расположены в конструкциях зданий в плоскости дей­ствия сжимающих усилий (см. рис. 1 и 3) 

В ходе эксперимента ни один из рассмотренных способов не позволил получить полностью раздельные слои материала, во всех случаях наблюдалось взаимопроникновение слоев друг в друга (табл. 4). Использованные компоненты независимо от своей удобоукладываемости были очень чувствительны к динамическим воздействиям в ходе укладки и схватывания.

Полимерные смолы, введенные в состав при формировании материала, взаимодействовали с бетонной смесью и образовали плотную и достаточно прочную зону контакта между слоями затвердевшей смолы и бетона. Эпоксидная смола также может распределяться по порам в поверхностном слое бетона и повышать его морозостойкость и химическую стойкость.

Использование разделителя при вертикально-ориентированной подаче смеси предположительно оказывает смешанный эффект за счет положительного влияния подпора от разделителя на прочность образца и отрицательного влияния налипания эпоксидной смолы на разделитель. В эксперименте этот эффект был выражен слабо.

При вертикально-ориентированной подаче смесей подвижный разделитель должен был не допустить сильного перемешивания слоев между собой при укладке смесей. Предполагалось, что медленное перемещение разделителя может снизить образование потоков и завихрений при контакте двух жидкостей разной плотности. Также допускалось, что за счет своих адгезионных свойств эпоксидная смола может налипать на поверхность разделителя, образуя на конце разделителя зону срыва потока, и что при этом смола может вовлекаться в бетонную смесь. Однако при анализе затвердевших образцов характер проникновения слоев друг в друга визуально не отличался от характера их взаимопроникновения при вертикально-ориентированной подаче смесей без разделителя. Это позволило сделать вывод о том, что налипание смолы на разделитель незначительно влияло на смешивание слоев между собой по сравнению с остальными происходящими при укладке гид­ромеханическими процессами. Использование разделителя несколько снижало глубину проникновения слоев друг в друга, но не могло предотвратить его полностью. 

Наименее прочными оказались образцы с разделителем на основе мыла, что можно объяснить недостаточной степенью растворения разделителя в ходе его взаимодействия с водой бетонной смеси. Образцы разрушались преимущественно по контактной зоне между слоями материала. Влияние поверхностно-активного мыла на структурообразование бетона в зоне соприкосновения слоев не исследовали.

Использование микрокремнезема и отсева дробления не оказало заметного влияния на декоративные свойства изделий и стойкость к смешению слоев. Это можно объяснить тем, что в обоих случаях изменение реологических свойств, обусловленное введением мелко­дисперсного компонента, было компенсировано действием суперпластификатора.

Следующую серию образцов сформировали по технологии раздельной укладки компонентов (рис. 5). В форму, проложенную изнутри полиэтиленовой пленкой, устанавливали разделительные элементы из поли­метилметакрилата толщиной 10 мм с расстоя­нием между ними около 10 мм. Поскольку по такой технологии бетонную смесь укладывают в стабильное пространство между стенками формы и полиметилметакрилатными пластинами, а эпоксидная смола вводится после начала схватывания, динамические воздей­ствия на смесь значительно уменьшаются. Это поз­воляет снизить требования к удобоукладываемости смеси и применять вибрационное воздействие при ее укладке. Состав смеси представлен в табл. 5.

Рис. 5. Схема раздельной укладки компонентов: а — ​укладка смеси в форму с установленными разделительными элементами, б — ​извлечение разделительных элементов и укладка смолы в образовавшиеся пустоты; БС — ​бетонная смесь, ПММА — ​полиметилметакрилат, Э — ​эпоксидная смола

После укладки в форму бетонной смеси с требуемой удобоукладываемостью, вибро­уплотнения и небольшой выдержки разделительные элементы удаляли и в освободившее­ся пространство вводили эпоксидную смолу. Образцы в формах твердели в нормальных условиях в течение суток, затем их извлекали из форм, и твердение бетона продолжалось в воздушных условиях. Образцы испытывали на прочность в возрасте 28 сут.

Полученные образцы имели прочное сцеп­ление слоев (разрушение материала при испытаниях происходило через матрицу бетона) и достаточную светопроводящую способность (рис. 6). При этом толщина светопроводящего слоя уменьшалась к низу образца вслед­ствие сохранения подвижности бетонной смеси в ходе укладки эпоксидной смолы, поверхность прилегания слоев друг к другу была неровной, а частицы бетонной смеси при укладке местами отделились от поверхности бетонной смеси, проникнув в светопроводящий слой на глубину 2—4 мм. Наблюдалось также проникновение эпоксидной смолы в толщу бетона, уплотняющее и упрочняющее зону контакта слоев.

Рис. 6. Внешний вид части образца светопроводящего бетона после разрушения (слабо видны следы проникновения эпоксидной смолы в бетон)

Результаты и обсуждение

Применение способа раздельной укладки бетонной смеси и эпоксидной смолы позволяет получить изделия, имеющие требуемую прочность и светопроводящие характеристики, однако технология получения таких изделий по-прежнему достаточно сложна. Чтобы получить изделие, необходимо сначала изготовить разделительные элементы требуемой формы, установить и закрепить их в заливочной форме, после укладки и схватывания (или полного отвердения) бетона их следует извлечь, а образовавшиеся пустоты заполнить эпоксидной смолой. Такая технология незначительно отличается от рассмотренных ранее существующих решений, однако основное ее преимущество — повышенная прочность сцеп­ления светопроводящего элемента с бетоном. Недостатками же являются большее число выполняемых операций и неровная поверхность контакта светопроводящего элемента с бетоном, которая снижает эффективность пропускания света в слоях малой толщины, но незаметна в более толстых слоях смолы. Работа технологической линии по производству изделий таким способом по-прежнему требует большого количества ручного труда для выполнения операций шлифовки поверхности и чистки форм.

Способ послойной укладки компонентов в вязко-пластичном состоянии на текущий момент не позволяет получать качественные изделия в промышленных условиях, поскольку равномерная укладка слоев компонентов любым способом все равно приводит к взаи­мопроникновению слоев друг в друга. При укладке тонкими слоями они смешиваются вплоть до потери светопропускающей способности. Изделия, состоящие из толстых слоев компонентов, имеют пониженную декоративность, а их изготовление требует значительных трудозатрат.

Но если обеспечить низкие динамические воздействия на поверхность слоя при укладке на него следующего слоя, то смешение слоев будет незначительным. Для этого можно использовать аддитивные технологии послойной укладки компонентов в форму. Строительный принтер для подобной укладки имеет двухкамерную печатную головку, камеры предназначены для бетонной смеси и эпоксидной смолы в вязко-пластичном состоянии. Соотношение толщины слоев укладываемой бетонной смеси и эпоксидной смолы должно быть не менее 1 : 2, а толщина слоя смеси — ​не более 2 мм. Основная функция формы — ​не допус­тить растекания смолы под давлением верхних слоев до момента затвердевания изделия. Форма имеет допуск на неровности поверх­ностей, образующиеся при послойной печати, которые после отвердевания срезаются, а вскрытую ровную поверхность шлифуют. Принтер имеет ограниченную формой зону печати, но при этом не требуются тонкие алгоритмы настройки его работы. Конструкции печатной головки для нанесения слоя бетонной смеси достаточно известны и производятся промышленностью [17]. Печать при помощи эпоксидной смолы на данный момент исследована недостаточно, в основном применяют способы печати нагретой нитью (филаментом), состоящей из твердого материала на основе эпоксидных смол [18]. Разработка действующего прототипа — ​следующий этап научной работы.

Заключение

Использование полимерных смол и бетонных смесей с введением отсевов дробления бетонного лома, МК и поликарбоксилатных суперпластификаторов позволит получить эффективный светопроводящий декоративный бетон. Основной недостаток этого материала — ​смешение вязко-пластичных слоев при укладке, что приводит к снижению декоративных и светопроводящих свойств изготовленных изделий. Решением данной проблемы могут быть следующие приемы:

• обеспечение сопоставимых реологических свойств смолы и бетонной смеси,

• устройство разделяющего слоя при укладке или обеспечение малых динамических воздействий на подстилающий слой при укладке на него слоя из другого компонента.

Проведенные эксперименты показали, что получить слабо смешивающиеся слои можно при использовании способа раздельной укладки. Корректировка составов и использование аддитивного метода формирования массива по полученным результатам может оказаться эффективным и технологически масштабируемым решением. Представляется целесообразным более детально исследовать влияние различных пластификаторов бетона, заполнителей (или их отсутствия [19]), пигментов и полимерных смол на реологические свойства бетонной смеси и основные свой­ства готового бетона для разработки более прос­той и эффективной технологии послойного формирования светопроводящего бетона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Losonczi A. Building block comprising light transmitting fibers and a method for producing the same. U.S. Patent 8091315, 2012.

2. Losonczi A. Translucent building block and a method for manufacturing the same. U.S. Patent 8091307, 2012.

3. Pagliolico S.L., et al. A preliminary study on light transmittance properties of translucent concrete panels with coarse waste glass inclusions // Energy Proc. 2015. Vol. 78. P. 1811—1816. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.11.317.

4. Yue Li, Jiaqi Li, Yuhong Wan, Zhiyuan Xu. Experimental study of light transmitting cement-based material (LTCM) // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 96. P. 319—325. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.08.055.

5. Byoungil Kim. Light transmitting lightweight concrete with transparent plastic bar // Open Civil Engin. J. 2017. Vol. 11. P. 615—626. DOI:10.2174/1874149501711010615.

6. Shen Juan, Zhou Zhi. Preparation and study of resin translucent concrete products. advances in civil engineering // Vol. 2019, Article ID 8196967. 12 pages. DOI: 10.1155/2019/8196967.

7. Xingang W., Xuna Y. Design, preparation and characterization of resin light conductive cementitious materials // J. of Nanchang University (Natural Sci.). 2014. Vol. 38, N 1. P. 42—44. DOI: 10.1155/2019/8196967.

8. Pilipenko A., Bazhenova S., Kryukova A., Khapov M. Decorative light transmitting concrete based on crushed concrete fines // IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Engin. 2018. Vol. 365. P. 032046. DOI:10.1088/1757—899X/365/3/032046.

9. Eckert M., Oliveira M. Mitigation of the negative effects of recycled aggregate water absorption in concrete technology // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 133. P. 416—424. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.132.

10. Pereira P., Evangelista L., de Brito J. The effect of superplasticisers on the workability and compressive strength of concrete made with fine recycled concrete aggregates // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 28, N 1. P. 722—729 [Электронный ресурс]. URL: http://excsustconcrete.tecnico.ulisboa.pt/uploads/6/4/2/0/64209325/1_concrete_made_with_fine_recycle... (дата обращения 27.02.2024).

11. Pilipenko A., Bazhenova S. Usage of crushed concrete fines in decorative concrete // IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Engin. 2017. Vol. 245. P. 032082. DOI: 10.1088/1757-899X/245/3/032082.

12. Evangelista L., de Brito J. Mechanical behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates // Cement and Concrete Composites. 2007. Vol. 29. P. 397—401. DOI:10.13140/RG.2.1.5110.0884.

13. Oksri-Nelfia L., Mahieux P.-Y., Amiri O., Turcry Ph., et al. Reuse of recycled crushed concrete fines as mineral addition in cementitious materials // Materials and Structures. 2016. Vol. 49. P. 3239—3251. DOI: 10.1617/s11527—015—0716—1.

14. Justnes H., Dahl P.A., Ronin V., Jonasson J.-E., et al. Microstructure and performance of energetically modified cement (EMC) with high filler content // Cement and Concrete Composites. 2007. Vol. 29, N 7. P. 533—541. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2007.03.004.

15. Evangelista L., de Brito J. Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates // Cement and Concrete Composites. 2010. Vol. 32. P. 9—14. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.09.005.

16. Alexandre Bogas J., de Brito J., Ramos D. Freeze–thaw resistance of concrete produced with fine recycled concrete aggregates // J. of Cleaner Production. 2016. Vol. 115. P. 294—306. DOI: 10.1016/j.jclepro.2015.12.065.

17. Tu H., et al. Recent advancements and future trends in 3D concrete printing using waste materials // Developments in the Built Environment. 2023. Vol. 16. P. 100187. DOI: 10.1016/j.dibe.2023.100187.

18. Drücker S., et al. Solid epoxy for functional 3D printing with isotropic mechanical properties by material extrusion // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 55. P. 102797. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102797.

19. Carsana M., Tittarelli F., Bertolini L. Use of no-fines concrete as a building material: strength, durability properties and corrosion protection of embedded steel // Cement and Concrete Res. 2013. Vol. 48. P. 64—73. DOI: 10.1016/j.cemconres.2013.02.006.