Армирование 3D-печатного бетона — это механизм, при котором пластичность и прочность на разрыв печатного бетона улучшаются с помощью различных методов армирования, включая арматурные стержни, сетки, волокна или тросы. Армирование 3D-печатного бетона важно для широкомасштабного использования новой технологии, как и в случае обычного бетона. С множеством применений аддитивного производства в бетонной строительной отрасли — в частности, использования аддитивно изготовленного бетона при производстве конструкционных бетонных элементов — технологии армирования и крепления значительно различаются. Даже для неструктурных элементов использование неструктурной арматуры, такой как армирование волокнами, не является редкостью. Отсутствие опалубки в большинстве 3D-печатных бетонов усложняет установку арматуры. Ранние этапы исследований в области 3D-печати бетона в первую очередь были сосредоточены на разработке технологий материалов цементных/бетонных смесей. Эти причины в сочетании с отсутствием положений кодекса по армированию и креплению для печатных элементов говорят об ограниченной осведомленности и использовании различных методов армирования в аддитивном производстве. Печать бетона методом экструзии материалов в настоящее время выгодна как с точки зрения доступности технологии, так и экономической эффективности. Поэтому большинство разработанных или разрабатываемых в настоящее время методов армирования подходят для технологии 3D-печати методом экструзии.
Виды армирования
Арматура в бетоне при 3D-печати, как и в обычном бетоне, может быть классифицирована либо по способу размещения, либо по способу воздействия. Способы размещения арматуры — предустановочные, совместные и послеустановочные. Примерами каждого из них являются предварительно установленные сетки, волокна, смешанные с бетоном, и тросы для последующего натяжения соответственно. Классификация, основанная на структурном воздействии, аналогична классификации обычного бетона. Примерами активного и пассивного армирования в бетоне, напечатанном на 3D-принтере, являются арматурные стержни и тросы для последующего натяжения, используемые для предварительного напряжения сегментных элементов соответственно. Большая часть арматуры в бетоне традиционно была стальной и продолжает оставаться даже в бетоне, напечатанном на 3D-принтере. Альтернативные композиционные материалы, такие как стеклопластики и волокна из стекла, базальта и т. д., приобрели значительную популярность.
Некоторые распространенные усиления в 3D-печати
Арматурные стальные стержни
Высокая доступность и популярность деформированных стержней или арматурных стержней в качестве пассивного структурного армирования в традиционных бетонных системах делают их востребованными в печатном бетоне. Они свариваются вместе, образуя фермы, уложенные между слоями, образуя очень эффективную стратегию совместного армирования без использования опалубки. Они возводятся для усиления каркасов, вокруг которых наносится бетон для формирования стеновых и балочных элементов, что делает арматуру эффективной стратегией перед монтажом.
Формирующая скелетная структура на основе арматуры также может выступать в качестве ядра, на которое наносится торкрет-бетон для печати по новому методу, разработанному в Техническом университете Брауншвейга.
Арматурные каркасы также можно устанавливать внутри печатной бетонной опалубки в ненесущих элементах, а отверстия заполнять раствором. Этот метод армирования после установки оказался экономически эффективным; однако это требует внимания к границе раздела стали и печатного бетона. Использование печатного бетона в качестве опалубки требует более высокой кольцевой прочности бетона, которую можно обеспечить за счет использования в смеси волокон.
Умное динамическое литье
Smart Dynamic Casting (SDC), новая технология печати, разрабатываемая в ETH Zurich, сочетает в себе технологии скользящей формовки и печати материалов для производства изделий различного поперечного сечения и сложной геометрии с использованием минимального количества опалубки. Арматурные стержни устанавливаются заранее, как и в случае с традиционным литым бетоном, а реология бетона адаптируется для сохранения формы скользящей опалубки до того, как бетон достаточно увлажнится, чтобы выдержать собственный вес. Для дома DFAB в Швейцарии изготавливаются бетонные фасадные стойки различного сечения.
Арматурные сетки
Подобно использованию арматуры, арматурные сетки также широко используются в качестве метода пассивного армирования. Сварные сетки укладываются между печатными слоями плит без использования опалубки. Их также можно использовать для печати стеновых элементов, которые изготавливаются сбоку и устанавливаются на месте. В отличие от метода с арматурой, катушки сеток разматываются одновременно перед соплом принтера, чтобы обеспечить как горизонтальное, так и вертикальное усиление печатных элементов. Этот метод не только действует как армирование в затвердевшем состоянии бетона, но и компенсирует отсутствие опалубки в свежем состоянии бетона.
Кабели
Высокопрочные оцинкованные стальные тросы обеспечивают эффективное армирование печатных бетонных элементов, где из-за сложности формы невозможно обеспечить достаточное покрытие бетоном. Кабели можно либо прокладывать между слоями, либо экструдировать одновременно, как сетки. Особого внимания требует соединение высокопрочных стальных тросов с бетоном.
Непрерывная пряжа или пултрузия на основе потока
Непрерывную нить из стекла, базальта, высокоэффективного полимера или углерода также можно эффективно использовать в качестве армирования для бетона, напечатанного на 3D-принтере, без необходимости использования дополнительных двигателей. В этом методе используется консистенция экструдированного бетона для пассивного пултрудирования многочисленных непрерывных нитей. Полученный материал представляет собой однонаправленный цементирующий композит с увеличением прочности и пластичности в направлении экструзии в зависимости от доли волокна. Благодаря небольшому диаметру используемой пряжи их связь с матрицей обычно хорошая. Кроме того, в этом процессе используется небольшая жесткость пряжи при изгибе, чтобы обеспечить такую же геометрическую свободу с расширенными возможностями сборки благодаря ранней тяговой силе, обеспечиваемой пряжей во время печати. Эта функция связана с более сложным экструзионным соплом и использованием специального устройства для обработки большого количества пряжи.
Тросы после натяжения
Автоматизированное изготовление элементов реализует свой истинный потенциал, когда напечатанные сегментные элементы устанавливаются на место с помощью последующего натяжения. Бетонные сегменты печатаются, оставляя отверстия для тросов последующего натяжения, которые не только действуют как активное армирование, но и помогают соединить сегментные элементы для формирования несущей конструкции. Отверстия, оставленные для кабелей, заполняются раствором после натяжения кабелей. Велосипедный мост был построен в Техническом университете Эйндховена путем печати сегментов, которые подвергаются последующему натяжению с помощью высокопрочных тросов, идущих перпендикулярно направлению печати. Технология пост-напряжения имеет большой потенциал в качестве стратегии армирования в бетонных системах, изготовленных аддитивным способом.
Армирование волокнами
Использование волокон в смеси имеет ряд преимуществ, как и в случае с обычным бетоном. Более высокое содержание цемента и требования к более высокой скорости гидратации печатного бетона делают его подверженным растрескиванию при усадке и термическим напряжениям. Использование волокон (структурных или неструктурных) может существенно противодействовать этому. Армирование волокнами также полезно при печати оболочечных конструкций, поскольку действие растягивающей мембраны, необходимое для преобразования изгибающего момента в осевую силу, возможно только в прочном бетоне с высокой жесткостью. Волокна, будучи выровнены, могут обеспечить требуемую более высокую ударную вязкость и жесткость. Прочность на изгиб также повышается за счет добавления конструкционной стали или волокон ПВА. Эти свойства делают фибробетон подходящим материалом для печатной опалубки. Связность бетона в свежем состоянии, имеющая решающее значение для печати, можно улучшить, используя неструктурные волокна, такие как полипропилен или базальт. Использование армирования волокнами в 3D-печати создает столь необходимый переход в область сверхвысокоэффективных бетонов с повышенной прочностью и долговечностью, что имеет решающее значение для эстетически тонких элементов.
Внешние анкерные соединители
Анкерные соединители устанавливаются в элементах ферм с целью соединения их с аналогичными узлами с помощью стержней с открытой резьбой. Преимущество этого метода армирования заключается в более быстром изготовлении легких элементов, которые можно произвольно компоновать на месте в зависимости от требований. Открытая арматура может столкнуться с проблемами коррозии при установке на открытом воздухе. Топологически оптимизированные формы ферм с силой, повторяющей форму, могут быть созданы и использованы для экономии материала и, в свою очередь, затрат на строительство. Анкеры могут быть соединены как плоскостными, так и внеплоскостными резьбовыми арматурными стержнями для создания элементов, выходящих за рамки простых балок и арок.
Бамбуковое армирование
Бамбуковая арматура, в том числе бамбук, обернутый стальной проволокой, была предложена в качестве армирования для традиционных бетонных элементов еще в 2005 году, а недавние исследования показали возможное применение в бетоне, напечатанном на 3D-принтере. Преимущество этого метода заключается в том, что он потенциально производит в 50 раз меньше выбросов углерода, чем традиционные методы стального армирования. Одним из недостатков этого метода являются потенциальные проблемы с долговечностью, поскольку органическая природа бамбука делает его уязвимым для вредителей и разложения. Правильная обработка материала может решить эту проблему и сохранить бамбуковую арматуру до 15 лет.
Другие менее распространенные методы армирования
Для улучшения соединения между печатными слоями иногда используются промежуточные стяжки и скобы. Лестничная проволока используется для армирования печатных элементов и улучшения горизонтального изгиба. Стабилизаторы печати используются для предотвращения упругого коробления печатных слоев в процессе печати. Сварная/печатная арматура — это технология, разрабатываемая в Брауншвейгском техническом университете, при которой стальная арматура одновременно печатается с помощью газовой дуговой сварки.
Гибридные решения
Каждая технология армирования обычно более эффективна при использовании в сочетании с другой технологией армирования, что оставляет много возможностей для исследований и разработок. Технологию сетчатых форм можно комбинировать с SDC для более быстрого производства высокоавтоматизированных элементов. Пригодную для печати технологию фибробетона (FRC) можно легко комбинировать с большинством других методов армирования для создания высокопрочной бетонной конструкции. Фибробетон, используемый для печати опалубки, имеет более высокую устойчивость к окружным напряжениям из-за более высокой прочности нитей. При крупномасштабных строительных проектах сетки и решетчатые клетки почти всегда комбинируются.
