Свиване и напукване при печатан бетон

Свиването е намаляването на обема, което циментовият материал претърпява при хидратация и при обмен на влага с околната среда. Само по себе си свиването е безобидно: проба, свободна да се движи, просто става по-малка. Напукването възниква, когато това движение е възпрепятствано — от съседен елемент, от армировка, от основа или, при печатано тяло, от вече втвърдените слоеве под него. При 3D печата на бетон това има по-голямо значение, отколкото при повечето излети бетони, защото печатаемите смеси са богати на тесто, с ниско водоциментово отношение и се полагат без кофраж върху възпрепятстване, което сами са създали минути по-рано. Свиването не е едно явление, а няколко, с различни причини и различни времеви мащаби, и борбата с грешния механизъм е загубено усилие.

Какво е това и защо е важно

Химичното свиване е първопричината: продуктите на хидратацията на цимента заемат по-малък абсолютен обем от водата и клинкера, от които са се получили. Преди свързването това се проявява като намаляване на обема на масата; след свързването твърдият скелет се противопоставя и дефицитът се превръща в празно порово пространство.

Пластичното свиване протича в първите часове, докато материалът е още мек. Водата се изпарява от откритата повърхност по-бързо, отколкото водоотделянето може да я замести, между частиците се образуват менискуси и повърхността се свива и разкъсва. Пластичното слягане е свързаното ранно движение: твърдите частици потъват под действие на гравитацията, докато водата се качва, и над препятствия се появяват пукнатини от слягане.

Автогенното свиване е самоизсушаване. Хидратацията консумира вода от поровата мрежа и без външно подхранване първи се изпразват най-финните пори. Извитите менискуси в частично запълнените пори поставят поровата вода под опън, а възникващата капилярна депресия стяга твърдия скелет навътре. То зависи силно от водоциментовото отношение: малко е при обикновен бетон с умерено в/ц и става преобладаващо при ниско в/ц и високо съдържание на свързващо вещество — тоест точно там, където са печатаемите разтвори. Започва при свързването и голяма част от него се развива в рамките на дни.

Свиването от съсъхване е загуба на влага към средата. То се развива отвън навътре, затова е бавно, неравномерно и създава влажностен градиент, който сам по себе си води до изкорубване. Карбонизационното свиване е по-бавен, ограничен до повърхността процес, при който атмосферният въглероден диоксид реагира с продуктите на хидратацията и настъпващите фазови промени водят до допълнително свиване. Температурните деформации не са свиване, но допринасят за същата картина на напукване: топлината на хидратацията повишава температурата на материала, а последвалото охлаждане при възпрепятстване поражда опънови напрежения.

3D печатът усилва повечето от тези механизми. Печатаемият разтвор носи много висок дял тесто и свързващо вещество, за да постигне нужната реология, което повишава и автогенното свиване, и свиването от съсъхване. Водоциментовото му отношение е ниско, което допълнително качва автогенното свиване. Добавъчният му материал е фин пясък, тоест има по-малко корав, несвиващ се скелет, който да възпрепятства тестото отвътре. Няма кофраж, така че всяка повърхност е изложена на изпарение от първата минута, а не след разкофряване. Печатаните стени са тънки, с голямо отношение повърхност към обем. И всеки нов слой се полага върху материал, който вече се втвърдява, така че пресният слой е възпрепятстван по цялата си долна страна. Характерните последици са пукнатини по равнината между слоевете и пукнатини, минаващи през няколко слоя там, където преобладава общото възпрепятстване.

Как се измерва

Свободната промяна на дължината на втвърдени проби се измерва по ASTM C157, който проследява във времето дължината на призма с реперни щифтове, както и по EN 12617-4 за продукти за ремонт и подобни. И двата дават свободно свиване — характеристика на материала, а не риск от напукване.

Автогенната деформация се измерва по метода с гофрирана тръба ASTM C1698, при който запечатано тесто или разтвор се проследява от края на свързването нататък. Запечатването премахва обмена на влага, така че измерването изолира самоизсушаването от съсъхването.

Възпрепятстваното свиване е това, което действително предсказва напукване. Пръстеновидният тест ASTM C1581 отлива пръстен от материала около стоманен пръстен и следи деформацията на стоманата до напукване, като дава време до пукнатина и указание за скоростта на напрежението. Това е най-широко използваният сравнителен тест за склонност към напукване.

Вградените тензометри и повърхностните механични тензометри DEMEC се използват при реални елементи и при печатани проби, където формовани призми не представят материала. За пластичното свиване често се прилага възпрепятстван панел при контролирани вятър и температура с отчитане на площта на пукнатините; това е изследователски и сравнителен метод в литературата за 3DCP, а не хармонизиран стандарт.

Разликата между свободно и възпрепятствано измерване трябва да се посочва изрично. Ниско свободно свиване не гарантира малко напукване, ако материалът е корав, крехък и силно възпрепятстван; по-високо свободно свиване може да напука по-малко, ако материалът пълзи и релаксира напреженията. При печатани проби свиването вероятно също зависи от посоката, затова посоката на измерване спрямо слоевете се записва.

Типични стойности

Стойностите са ориентировъчни и произхождат от публикуваната литература за бетон и за 3DCP в общ план. Те не са измервания на Concreef.

Какво го променя

Съдържанието на тесто е първият лост. Свиването се случва в тестото; добавъчният материал го възпрепятства. Подобряването на зърнената опаковка, така че същата реология да се постига с по-малко тесто, намалява свиването пряко — затова зърнометрията и изборът на фини пълнители значат колкото и химичните добавки.

Водоциментовото отношение действа едновременно в две посоки. Намаляването му намалява свиването от съсъхване, защото има по-малко изпаряема вода, но увеличава автогенното свиване. Няма един оптимум; балансът зависи от това кой механизъм преобладава при експлоатационните условия на елемента.

Вътрешното отлежаване атакува автогенното свиване в източника му. Предварително наситен лек добавъчен материал или суперабсорбиращи полимери задържат вода, която се освобождава при спадане на поровата влажност, поддържа финните пори запълнени и потиска капилярната депресия. Водата трябва да е съобразена с химичното свиване на свързващото вещество и разпределена достатъчно фино.

Добавките, намаляващи свиването, понижават повърхностното напрежение на поровия разтвор и така намаляват капилярната депресия при едно и също изпразване на порите. Действат и върху автогенното свиване, и върху съсъхването, и се дозират по данни на доставчика в класификацията на ASTM C494.

Фибрите променят последицата, а не причината. Полипропиленовите фибри в малка доза са ефективни срещу пукнатините от пластично свиване; конструктивните фибри ограничават ширината на пукнатините по-късно. Нито едните, нито другите намаляват свободното свиване.

Минералните добавки намаляват съдържанието на клинкер и топлината на хидратация, което обикновено помага срещу температурното и ранното напукване. Силикатният прах, като уплътнява поровата структура, по-скоро увеличава автогенното свиване.

Отлежаването и защитата са мярката с най-висока възвръщаемост при печата, защото са незабавни и евтини. Покриването на елемента, ограничаването на въздушното течение, омокрянето и поддържането на влажност в работилницата намаляват скоростта на изпарение в часовете, в които се решава дали ще има пукнатини от пластично свиване. Проектирането на фуги и геометрия поема останалото: подвижни фуги, контролирани отслабени сечения и избягване на резки промени в сечението, които концентрират възпрепятстването.

Типични дефекти и причини

Пукнатините от пластично свиване се появяват в рамките на часове като къси, плитки, приблизително успоредни повърхностни пукнатини, най-често върху горната страна на последния положен слой и по повърхности, изложени на течение. Те са дефект на изпарението и отлежаването.

Пукнатините от пластично слягане следват препятствия — вградена армировка, закладни части, резки промени в геометрията — където твърдите частици слягат, докато водата се качва.

Междуслойното напукване се развива, когато пресен слой се свива срещу вече втвърден и границата, която и без това е най-слабата равнина, не може да поеме разликата. Напукването през слоевете се появява, когато елементът е възпрепятстван отвън и пукнатината се разпространява през няколко слоя, обикновено в точката на най-силно възпрепятстване или на промяна в сечението.

Изкорубването се дължи на влажностния градиент при съсъхване: повърхността се свива, а вътрешността не, и тънката печатана обвивка се деформира. Мрежовидното напукване е фина повърхностна мрежа от пукнатини при бързо изсъхване на повърхността или карбонизация на слаб повърхностен слой.

Две неща помагат при диагностиката. Моментът на поява разграничава механизмите — часове означава пластично, дни автогенно, седмици до месеци съсъхване. Ориентацията на пукнатината спрямо слоевете разграничава проблем в границата от общо възпрепятстване.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат на бетон със седалище в София. Провежда материалови изпитвания в работилницата си на принтер Crane WASP, като в момента печата с търговски премикс и едновременно разработва собствена суха смес. Няма публикувани изпитвателни данни и нищо тук не бива да се чете като измерване или гаранция за характеристики от страна на Concreef.

В практиката на работилницата свиването е характеристиката, която се проявява, след като печатът вече изглежда успешен. Изделие, което се е екструдирало чисто и е устояло, все още може да се напука мрежовидно, да се изкоруби или да се пропука по граница между слоеве в следващите дни, а причината обикновено се решава в първите часове след полагането, а не само в състава на сместа. Тъй като печатаните изделия нямат кофраж и имат голяма открита повърхност, работната практика на Concreef третира незабавното покриване и защитата от течение като част от печата, а не като нещо допълнително, и разглежда наблюдаваното напукване като диагностична информация — записва се кога се е появила пукнатината, как е минала спрямо слоевете и какви са били условията в помещението. Мерките от страна на сместа — вътрешно отлежаване, добавки, намаляващи свиването, и по-малко тесто чрез по-добра зърнена опаковка — са част от разработването на сухата смес, а всички резултати ще се публикуват с посочени метод на изпитване, възраст и условие на възпрепятстване.