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
Армирование в 3D-печатном бетоне, как и в обычном бетоне, можно классифицировать либо по способу размещения, либо по способу действия. Методы размещения армирования — предварительная установка, совместная установка и последующая установка. Примерами каждого из них являются предварительно установленные сетки, волокна, смешанные с бетоном, и кабели пост-натяжения соответственно. Классификация, основанная на структурном воздействии, снова такая же, как и в обычном бетоне. Примерами активного и пассивного армирования в 3D-печатном бетоне являются арматурные стержни и кабели пост-натяжения, используемые для предварительного напряжения сегментных элементов соответственно. Большая часть арматуры в бетоне традиционно была стальной и продолжает быть даже в 3D-печатном бетоне. Альтернативные композитные материалы, такие как FRP и волокна стекла, базальта и т. д., в смеси приобрели значительную известность.
Некоторые распространенные армирования в 3D-печати
Арматурные стальные стержни
Высокая доступность и популярность деформированных стержней или арматуры в качестве пассивного структурного армирования в обычных бетонных системах делает их востребованными в печатном бетоне. Они свариваются вместе, образуя фермы, уложенные между слоями, чтобы сформировать очень эффективную стратегию совместного армирования без использования опалубки. Они возводятся для армирования каркасов, вокруг которых печатается бетон для формирования стеновых и балочных элементов, что делает арматуру эффективной стратегией предварительной установки.
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 могут быть установлены внутри опалубки из печатного бетона в ненесущих элементах, а отверстия заполняются раствором. Этот метод армирования после установки оказался экономически эффективным; однако он требует внимания к интерфейсу между сталью и печатным бетоном. Использование печатного бетона в качестве опалубки требует более высокой прочности бетона на растяжение, которая может быть обеспечена за счет использования волокон в смеси.
Умное динамическое литье
Smart Dynamic Casting (SDC), новая технология печати, разрабатываемая в ETH Zurich, объединяет технологии скользящей опалубки и печатных материалов для производства различных поперечных сечений и сложных геометрий с использованием очень малого количества опалубки. Арматурные стержни предварительно устанавливаются, как и в случае с обычным бетоном, а реология бетона адаптируется для сохранения формы скользящей опалубки до того, как бетон достаточно гидратируется, чтобы выдержать собственный вес. Бетонные фасадные стойки различного поперечного сечения производятся для дома DFAB в Швейцарии.
Армирующие сетки
Подобно использованию арматуры, арматурные сетки также широко используются в качестве пассивного метода армирования. Сварные проволочные сетки укладываются между напечатанными слоями плит без необходимости использования опалубки. Их также можно использовать для печати стеновых элементов, которые изготавливаются сбоку и устанавливаются на месте. В методе, отличном от метода с арматурой, катушки сеток одновременно разматываются перед соплом принтера, чтобы обеспечить как горизонтальное, так и вертикальное армирование напечатанных 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 в печатных бетонных элементах, где невозможно обеспечить достаточный защитный слой бетона из-за сложности формы. Тросы могут быть либо проложены между слоями, либо экструдированы одновременно, как сетки. Связи между высокопрочными стальными тросами и бетоном необходимо уделять особое внимание.
Непрерывная пряжа или пултрузия на основе потока
Непрерывная пряжа из стекла, базальта, высокопроизводительного полимера или углерода также может эффективно использоваться в качестве армирования для 3D-печатного бетона без необходимости использования дополнительных двигателей. Технология использует преимущество консистенции экструдированного бетона для пассивной пултрузии многочисленных непрерывных пряж. Полученный материал представляет собой однонаправленный цементный композит с увеличением прочности и пластичности в направлении экструзии в зависимости от доли волокна. Благодаря небольшому диаметру используемой пряжи их связь с матрицей обычно велика. Кроме того, процесс использует преимущество небольшой жесткости пряжи на изгиб, чтобы обеспечить ту же геометрическую свободу с расширенной возможностью наращивания благодаря ранней прочности на растяжение, обеспечиваемой пряжей во время печати. Эта функция поставляется с более сложным экструзионным соплом и использованием специального устройства для обработки многочисленных пряж.
Кабели пост-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 системах аддитивного производства бетона.
Армирование волокнами
Использование волокон в смеси имеет несколько преимуществ, как и в случае с обычным бетоном. Более высокое содержание цемента и более высокие требования к скорости гидратации печатного бетона делают его восприимчивым к усадочным трещинам и термическим напряжениям. Использование волокон (структурных или неструктурных) может значительно противостоять этим факторам. Армирование волокнами также полезно при печати оболочечных конструкций, поскольку растягивающее действие мембраны, необходимое для преобразования изгибающего момента в осевую силу, возможно только с жестким и высокожестким бетоном. Волокна, при выравнивании, могут обеспечить эту требуемую более высокую прочность и жесткость. Прочность на изгиб и растяжение также улучшается при добавлении волокон конструкционной стали или ПВС. Эти свойства делают армированный волокнами бетон подходящим материалом для печати опалубок. Сцепляемость бетона в свежем состоянии, которая имеет решающее значение для печати, может быть улучшена за счет использования неструктурных волокон, таких как полипропиленовые или базальтовые. Использование армирования волокнами в 3D-печати открывает столь необходимый путь в области производства сверхпрочных бетонов с повышенной прочностью и долговечностью, что имеет решающее значение для создания эстетически изящных элементов.
Внешние анкерные соединители
Анкерные соединители устанавливаются в элементах фермы с целью соединения их с аналогичными блоками с помощью открытых резьбовых стержней. Эта техника армирования имеет преимущество более быстрого изготовления легких блоков, которые могут быть расположены в свободной форме на месте в зависимости от требований. Открытая арматура может столкнуться с проблемами коррозии при установке на открытом воздухе. Топологически оптимизированные формы ферм с силой, следующей за формой, могут быть созданы и использованы для экономии материала и, в свою очередь, затрат на строительство. Анкеры могут быть соединены как с помощью резьбовых арматурных стержней в плоскости, так и из плоскости для создания элементов, выходящих за рамки простых балок и арок.
Бамбуковое армирование
Бамбуковая арматура, включая бамбук, обернутый стальной проволокой, была предложена в качестве арматуры для традиционных бетонных элементов еще в 2005 году, а недавние исследования предполагают возможное применение в 3D-печатном бетоне. Преимущество этой технологии в том, что она потенциально производит в 50 раз меньше выбросов углерода, чем традиционные методы стальной арматуры. 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 обойти эту проблему и может сохранить бамбуковую арматуру до 15 лет.
Другие менее распространенные методы подкрепления
Иногда для улучшения сцепления между напечатанными слоями используются интерфейсные стяжки и скобы. Лестничная проволока используется для усиления напечатанных элементов с целью улучшения горизонтального изгиба. Стабилизаторы печати используются для предотвращения упругого прогиба напечатанных слоев в процессе печати. Сварное/напечатанное армирование — это технология, разрабатываемая в Техническом университете Брауншвейга, где стальное армирование одновременно печатается с использованием газовой дуговой сварки металлическим электродом.
Гибридные решения
Каждая технология армирования обычно более эффективна, когда используется в сочетании с другой технологией армирования, что оставляет много возможностей для исследований и разработок. Технология сетчатой формы может быть объединена с SDC для более быстрого производства высокоавтоматизированных элементов. Технология печатного фибробетона (FRC) может быть бесшовно объединена с большинством других методов армирования для производства высокопрочной бетонной конструкции. Фибробетон, используемый для печати опалубки, имеет более высокую устойчивость к кольцевым напряжениям из-за более высокой прочности нитей. Сетки и стержневые каркасы почти всегда комбинируются при использовании в крупномасштабных строительных проектах.
