Реология на печатаемия бетон

Реологията описва как прясната циментова смес се деформира и тече под въздействие на напрежение. За 3D печата с бетон тя е най-определящото материалово свойство, защото печатаемият разтвор трябва да бъде две противоречиви неща в рамките на секунди: достатъчно течлив, за да бъде изтласкан през маркуча и дюзата, и достатъчно корав, за да задържи формата на нишката и да поеме тежестта на всичко, отпечатано над нея. Прясната циментова смес не е обикновена течност — тя е флуид с граница на течение, суспензия от цимент, фини фракции и добавъчен материал във вода, която се държи като меко твърдо тяло, докато напрежението не надхвърли определен праг, и едва тогава започва да тече. Печатът по същество е управление на този праг във времето и пространството.

Какво е това и защо е важно

Обичайното първо приближение е моделът на Бингам, който описва материала с два параметъра. Границата на течение τ₀ (в паскали) е напрежението на срязване, което трябва да бъде надвишено, за да възникне течение. Пластичният вискозитет μ (в паскал-секунди) е наклонът, свързващ напрежението със скоростта на срязване, след като течението вече е започнало. Под τ₀ разтворът запазва геометрията си; над нея напрежението, необходимо за поддържане на движението, расте с това колко бързо го движим.

Много печатаеми разтвори не са линейни над границата на течение. Разширението по Хершел–Бълкли добавя коефициент на консистенция и индекс на течение и описва псевдопластичното поведение, характерно за смеси, богати на фини фракции, суперпластификатор или добавка, модифицираща вискозитета. То има значение главно когато една и съща смес трябва да бъде описана в широк диапазон скорости на срязване — високо срязване в маркуча, почти никакво на изхода от дюзата, което е точно ситуацията при печат.

Физическият смисъл на двата параметъра се разделя лесно. Границата на течение определя формата: дали положената нишка запазва сечението си, дали стената се свлича под собствено тегло и колко слоя могат да бъдат натрупани, преди долният да се деформира. Пластичният вискозитет определя движението: налягането при помпане, загубата на налягане на метър маркуч, въртящия момент на помпата и равномерността на запълване на дюзата. Една смес може да има приемлива граница на течение и въпреки това да е непомпаема заради твърде висок вискозитет; обратната несполука — лесна за помпане, неспособна да стои — е също толкова честа.

Върху това стоят два зависими от времето ефекта. Тиксотропията е обратимо разрушаване на флокулираната структура от частици под срязване: срязването понижава привидната граница на течение, а покоят позволява мрежата да се възстанови. Структурното изграждане в покой е по-широкото явление и обединява обратимата флокулация на циментовите частици, дължаща се на колоидни и контактни сили, с необратимия принос на ранната хидратация, при която калциево-силикатният хидрат започва да образува мостове между частиците. През първите секунди и минути преобладава флокулацията и възстановяването след повторно срязване е практически пълно; при по-дълги интервали хидратацията поема водещата роля, втвърдяването престава да бъде обратимо и структурното изграждане преминава в свързване.

Изграждането обикновено се описва с линейна скорост на структуриране, означавана Athix и изразявана в паскали за секунда — темпът, с който границата на течение в покой нараства в ранния период. Рамката на Русел за реологичните изисквания към печатаемите бетони, върху която стъпва по-голямата част от съвременната литература, свързва печатаемостта пряко с тази величина: разтворът трябва да се изгражда достатъчно бързо, за да носи скоростта на полагане над себе си, но не толкова бързо, че предходният слой да е загубил способността си да се свърже. Именно този компромис обяснява защо смес с добър резултат на разстилателната маса може да се провали на машината.

Как се измерва

Измерванията се разделят на две групи и смесването им е чест източник на грешки.

Фундаменталните измервания използват реометър и дават стойности във физични единици. Ротационен реометър с лопаткова или коаксиална геометрия срязва материала при контролирани скорости и записва въртящия момент; от това се изгражда крива на течение, която се апроксимира с модела на Бингам или на Хершел–Бълкли. Лопатковата геометрия се предпочита при разтвори, защото ограничава приплъзването по стената. Структурното изграждане се измерва по протокол „предварително срязване — покой — повторно срязване“: материалът се привежда в изходно състояние, оставя се в покой за определен интервал и после се срязва при много ниска скорост, за да се отчете натрупаната статична граница на течение; повторението за няколко интервала дава наклона Athix. Това са изследователски и лабораторни протоколи, а не хармонизирани европейски стандарти — RILEM TC 276-DFC (Digital Fabrication with Cement-based materials) работи по уеднаквяването им, а ACI 238 разглежда по-общо измерването на обработваемост, но няма стандарт EN, който да предписва реометрична процедура за печатаеми разтвори.

Емпиричните измервания дават едно число, което корелира с границата на течение, без да я измерва. Разстилателната маса по EN 1015-3 е обичайният избор за разтвори: диаметърът на разстилане след определен брой удари е обратно свързан с границата на течение. Слъмп и разстилане по EN 12350-2 и EN 12350-8 изпълняват същата роля при бетоните, макар печатаемите смеси обикновено да са твърде корави, за да ги разграничи слъмп тестът. Свързването, което огражда далечния край на структурното изграждане, се определя с иглата на Вика по EN 196-3. Пенетрометърът и конусът на потъване се използват широко в изследванията по 3D печат за проследяване на границата на течение на работната маса, а едноосното изпитване на натиск без странично ограничение върху прясно тяло — тест за „зелена“ якост — свързва реологията с носимоспособността при печат.

Емпиричните тестове служат за контрол на постоянството, фундаменталните — за разбиране. Разлика в разстилането между две замеси показва, че нещо се е променило, но не и какво.

Типични стойности

Стойностите по-долу са ориентировъчни и отразяват данни, публикувани в литературата за екструзионен 3D печат с циментови разтвори. Те се менят силно според свързващото вещество, съдържанието на фини фракции и системата от химични добавки и не представляват измервания на конкретна смес.

Всяка от тези стойности е прозорец, а не цел: смес, попадаща във всички, може да остане непечатаема, ако времената не съвпадат с машината.

Какво го променя

Водното съдържание е най-силният единичен лост: малко увеличение рязко понижава едновременно границата на течение и вискозитета, затова допускът при дозиране на водата има по-голямо значение при печат, отколкото при изливане. Суперпластификаторите разрушават флокулите и намаляват границата на течение при сравнително слабо влияние върху вискозитета, докато добавките, модифициращи вискозитета, действат обратно и същевременно потискат водоотделянето. Ускорителите повишават скоростта на структуриране и скъсяват отворения прозорец; забавителите правят обратното. Съдържанието на фини фракции — варовиково брашно, летяща пепел, шлака, силикатен прах или калцинирана глина — променя опаковката на частиците и специфичната повърхност, а с това и водопотребността и темпа на изграждане; силикатният прах и калцинираните глини обикновено повишават осезаемо границата на течение и тиксотропията. Зърнометрията и максималната едрина влияят върху вискозитета и риска от задръстване, а глинестите добавки се използват целенасочено за ускоряване на възстановяването. Температурата ускорява хидратацията и следователно изграждането. Значение имат и енергията и историята на смесване: една и съща смес, измерена веднага след смесителя и след десет минути в маркуча, реологично са два различни материала.

Типични дефекти и причини

Характерните дефекти се съотнасят пряко към параметрите. Твърде ниска граница на течение при дюзата води до разстилащи се нишки, загуба на размерна точност и прогресивно свличане на долните слоеве. Твърде висока граница на течение в маркуча дава прекомерно налягане, задръствания и в тежки случаи филтърно пресоване, при което водата се изцежда от сместа и скелетът от частици блокира; твърде високият вискозитет предизвиква същите симптоми при помпане, без проблем с формата. Твърде бързото структуриране оставя корава и слабо свързваща повърхност към момента на полагане на следващия слой и води до студени фуги. Твърде бавното структуриране ограничава броя слоеве на час и в крайна сметка води до пластично разрушаване или еластично изкълчване на стената. Недостатъчната кохезия, за разлика от недостатъчната граница на течение, се проявява като водоотделяне на повърхността и сегрегация на едрата фракция. И тъй като реологията се променя с времето, смес с правилно поведение в началото на печата може да излезе от прозореца преди края му.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София, която провежда материалови изпитвания в собствената си работилница на принтер Crane WASP. В момента печата с търговски предварително приготвен сух микс, докато разработва собствена суха смес, и няма публикувани данни от изпитвания.

На практика реологията се управлява като работна дисциплина в работилницата, а не като публикувана спецификация. Дозирането на водата, времето на смесване и интервалът между смесване и печат се поддържат толкова постоянни, колкото оборудването позволява, защото именно те местят най-силно границата на течение и структурното изграждане при фиксиран премикс. Постоянството между замесите се проверява с прости емпирични средства преди печат, а поведението на нишката по време на печат — разстилане, разкъсване, деформация на долните слоеве — се разчита като реологичен сигнал. При разработването на собствена суха смес описаните по-горе цели служат за работна рамка. Нищо на тази страница не представлява измерено свойство на материал на Concreef и не се твърди, че смес на компанията е изпитана по стандарт.