3D принтируем бетон

Един циментов материал е 3D принтируем, когато може да бъде транспортиран с помпа през маркуч, оформен от дюза и след това да устои на собственото си тегло и на теглото на положените отгоре слоеве — без кофраж и в рамките на няколко минути. Принтируемостта следователно не е единично свойство, а прозорец: област, в която няколко противоречиви изисквания са изпълнени едновременно, за определен интервал от време и на конкретна машина. Извън този прозорец сместа може да бъде напълно добър бетон и въпреки това да е непринтируема.

Какво е това и защо е важно

Първото, което се променя с отпадането на кофража, е добавъчният материал. Сместа трябва да премине през маркуч и през дюза с отвор от порядъка на няколко десетки милиметра, затова максималният размер на зърното е ограничен; на практика едрият добавъчен материал отпада и материалът е фин разтвор с пясък и брашно като зърнест скелет. Липсващата едра фракция се замества от циментово тесто, което означава повече свързващо вещество, по-голяма водопотребност, по-голямо свиване и по-висок въглероден отпечатък на кубичен метър — цената на принтируемостта, платена в материален план.

Свързващото вещество работи както обикновено. Порталндциментът хидратира при контакт с вода, като основният продукт е калциево-силикатният хидрат (C-S-H), който придава якост на втвърденото тесто; успоредно се образува калциев хидроксид, който пуцолановите добавки могат да свържат. Принтирането не променя тази химия — то променя времевия режим. Лят елемент трябва само да остане обработваем до полагане и уплътняване, докато принтираният материал трябва да е течен в маркуча и корав на изхода на дюзата. Затова най-ранната част от хидратационната крива, заедно с физичното структуриране на прясното тесто, се превръща в проектна променлива.

Водоциментовото (по-точно водосвързващото) отношение има двойна роля, която това изостря. Повече вода улеснява помпането и екструдирането, но дава по-порьозно втвърдено тесто, по-ниска якост и дълготрайност и по-бавно нарастване на якостта в прясно състояние; по-малко вода дава добра носеща способност, но натоварва помпата и води до разкъсване на нишката. Затова водното съдържание е ограничено от двете страни, а не се разменя свободно срещу якост — и именно затова течливостта се регулира с химични добавки, а не с вода.

Другият лост е плътността на опаковане на зърната. Непрекъсната зърнометрия — от най-едрия пясък през цимента до най-финото брашно — запълва междините между едрите зърна с по-дребни и намалява количеството вода, необходимо за смазване на системата, тоест купува обработваемост без допълнителна вода. Финните фракции и инертното брашно подобряват също кохезията и качеството на повърхността на нишката и намаляват отделянето на вода.

Отпадането на кофража премахва две неща, на които обикновеният бетон мълчаливо разчита: вибрирането, така че уплътняването идва единствено от налягането на помпата и оформящото действие на дюзата, а всяка останала празнина си остава; и страничното ограничаване, така че нищо не задържа формата на прясната смес, докато тя се втвърдява. Това прави якостта в прясно състояние изискване от първи ред, а контролираното структурно нарастване — скоростта, с която разтворът в покой възстановява коравината си — също толкова важно, колкото и якостта на 28-ия ден.

Тези изисквания се подреждат във верига от четири етапа, които трябва да са изпълнени едновременно. Помпаемост е транспортът по тръбопровода без запушване, без разслояване и без прекомерни загуби на налягане; екструдируемост е преминаването през дюзата като непрекъсната, формоустойчива нишка; отворено време е периодът, в който положеният слой все още се свързва пълноценно със следващия; носеща способност в прясно състояние е способността на стълба от слоеве да носи нарастващото си собствено тегло без прекомерна деформация или загуба на устойчивост. Смес, която пропада в едно от звената, не е принтируема, независимо колко добре се справя с останалите.

Затова принтируемостта е свойство на материала в съчетание с процеса. Дължината и диаметърът на тръбопровода определят времето на престой и историята на срязване; геометрията на дюзата определя формата на нишката и оформящото налягане; височината на слоя и скоростта на принтиране определят дебита. Дължината на контура за един слой, разделена на скоростта, дава действителния интервал между слоевете — числото, което трябва да попадне в отвореното време. Смени обекта и същата смес се озовава пред други изисквания.

Два въпроса остават отворени: принтираните елементи са анизотропни, тъй като фугите между слоевете са равнини с по-ниска якост на опън и на сцепление, и няма утвърден начин за армирането им. Запълвани черупки, армировка между проходите, вграждано въже и къси фибри се използват, но нито един подход не е обхванат от хармонизиран стандарт за проектиране.

Как се измерва

Няма единен стандартен метод за принтируемост и няма хармонизиран европейски стандарт за принтиран бетон; съществува набор от изпитвания, заети от практиката за разтвори, плюс изследователски методи, които RILEM TC 276-DFC систематизира. Консистенцията обикновено се определя с разстилателната маса по EN 1015-3 — метод за разтвори, подходящ за тези фини смеси; изпитванията за слягане по EN 12350-2 са предвидени за бетон и разграничават слабо, а ASTM C1437 е съответният метод за разтвори извън Европа. Свързването се измерва с апарата на Вика по EN 196-3, който дава начало и край на свързване на тестото, но не казва нищо пряко за отвореното време.

Реологията се измерва с ротационни или лопаткови реометри, които дават граница на течение, пластичен вискозитет и — чрез протокол с покой и срязване — скоростта на структурно нарастване; това са изследователски уреди, а не стандартизирано приемно изпитване. Якостта в прясно състояние се оценява с едноосов натиск без странично ограничаване върху пресни образци, също изследователски метод, а носещата способност се проверява пряко, като се принтира пробна стена и се преброяват слоевете до деформация или колапс.

Втвърдените характеристики се връщат към стандартния набор — EN 12390-3 за якост на натиск, EN 12390-13 за модул на еластичност, EN 12390-8 за водонепропускливост, ASTM C157 за изменение на дължината — но при принтирани образци всеки резултат изисква посочена посока на натоварване спрямо слоевете. Междуслойното сцепление се измерва чрез директен опън или разцепване напречно на фугата; нито един от двата подхода не е стандартизиран тук, затова резултати от различни лаборатории не са пряко съпоставими.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни, както се съобщават в литературата по 3DCP за екструзионни системи, а не измервания на Concreef, и варират широко според свързващото вещество, добавките и машината.

Какво го променя

Водното съдържание измества всички етапи на веригата едновременно и е най-непростителната променлива. Суперпластификаторът понижава границата на течение без добавяне на вода, което подобрява помпаемостта, но при предозиране намалява носещата способност; добавките, модифициращи вискозитета, повишават кохезията и потискат отделянето на вода; ускорителите, дозирани при или близо до дюзата, съкращават прехода от течно към кораво състояние и са стандартният начин помпаемостта да се отдели от носещата способност; забавителите удължават използваемия прозорец.

От страна на свързващото вещество видът и финността на цимента променят скоростта на ранното втвърдяване, а минералните добавки променят и скоростта, и реологията: летящата пепел обикновено подобрява течливостта, шлаката забавя ранното нарастване на якост, силикатният прах рязко повишава кохезията и водопотребността, а калцинираните глини повишават границата на течение и тиксотропията. Формата и зърнометрията на пясъка определят вътрешното триене — трошеният ъгловат пясък се помпа по-трудно от заоблен — а съдържанието на брашно променя опаковането и кохезията.

Технологичните променливи тежат също толкова: по-дългите тръбопроводи означават по-дълъг престой и повече срязване, по-малките дюзи изискват по-фина смес и по-високо налягане, по-високата скорост съкращава отвореното време, а по-дългите контури го удължават. Температурата и влажността променят скоростта на хидратация и изсъхването на повърхността, затова една и съща смес не се държи еднакво в студен цех и на обект през лятото.

Типични дефекти и причини

Запушването в маркуча обикновено сочи към прекалено едър или лошо степенуван добавъчен материал, към разслояване под налягане или към смес, започнала да коравее в тръбопровода по време на прекъсване. Разкъсана или прекъсваща нишка означава недостатъчна екструдируемост: твърде корава, твърде суха или с недостиг на фини фракции. Отделянето на вода сочи недостатъчна кохезия и обикновено се коригира с брашно или с добавка, модифицираща вискозитета.

При самия обект класическите откази са пластичната деформация, при която долните слоеве се разстилат, защото границата на течение е нараснала твърде бавно, и еластичното изкълчване, при което тънка стена губи устойчивост преди материалът да се разруши на натиск; и двете са откази на носещата способност, но с различни причини и мерки. Студени фуги се образуват, когато интервалът между слоевете надхвърли отвореното време — поради дълъг контур, пауза в принтирането или изсъхнала повърхност. Пукнатините от пластично свиване са по-вероятни, отколкото при лята работа, тъй като принтираната повърхност е открита от двете страни и няма кофраж, който да забави изпарението.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D принтиране с бетон със седалище в София. Тя провежда изпитвания на материали в работилницата си в София на принтер Crane WASP и понастоящем принтира с търговски премикс, докато разработва собствена суха смес. Компанията няма публикувани резултати от изпитвания.

Веригата от четири етапа е рамката, около която са организирани тези изпитвания. Принтерът, тръбопроводът и дюзата са фиксирани за дадена конфигурация, тоест технологичната страна на съчетанието е до голяма степен известна, затова опитите се съсредоточават върху това дали кандидат-смес удържа прозореца при реалистична дължина на контура и реалистичен интервал между слоевете, а не върху единично лабораторно изпитване. Работата с търговски премикс свежда променливите до водно съдържание, режим на смесване и параметри на принтиране; собствената суха смес отваря и свързващото вещество, зърнометрията и пакета добавки, поради което тази работа върви с малки замеси и къси пробни стени. Нищо тук не е спецификация на Concreef и не се твърди, че материал на Concreef е сертифициран или изпитан по стандарт.