Армиране с влакна в печатния бетон

Влакната са къси дисперсни елементи от полимер, стомана, минерал или растителен материал, вмесени в печатаемия разтвор, за да не се разрушава втвърденото изделие с една крехка пукнатина. Бетонът е здрав на натиск и слаб на опън, а печатният елемент задълбочава проблема: няма кофраж, в който да се постави класическа армировъчна клетка, а слоестата структура оставя равнини, по които опънът се предава през фуга, а не през непрекъснат материал. Влакната не решават това като основна конструктивна армировка. Те прехвърлят микропукнатините още при появата им, разпределят разрушението в много тънки пукнатини вместо в една широка и оставят на материала измерима носимоспособност след напукване. В печатния бетон това си струва само по себе си, но се плаща с реология, затруднено смесване и посочно зависимо поведение.

Какво е това и защо е важно

Полипропиленовите (PP) влакна имат две различни роли. Микрофибрите — тънки монофиламентни или фибрилирани нишки при ниска доза — се използват срещу пукнатини от пластично съсъхване през първите часове и за устойчивост срещу експлозивно откъртване при пожар: те се топят при няколкостотин градуса и оставят порова мрежа, която разтоварва парното налягане. Към якостта на втвърдения материал добавят малко. Макросинтетичните PP влакна са по-дебели и по-дълги и действително осигуряват остатъчна якост след напукване — на по-ниско ниво от стоманата, но без риск от корозия и с по-малка плътност.

PVA (поливинилалкохолните) влакна се свързват химически и много здраво с циментовата матрица. Именно това свързване, настроено така, че влакното да се изтегля, а не да се къса, стои в основата на композитите с деформационно уякчаване — ECC или SHCC — при които материалът поема нарастващо натоварване след първата пукнатина, образувайки гъста мрежа от много тънки пукнатини. PVA е най-скъпият масово достъпен вариант и се използва там, където това поведение се търси целенасочено.

Стоманените фибри дават най-висока остатъчна якост на опън и на огъване за единица обем и са най-добре описани в нормативните документи. Недостатъците им са специфични за печата: корозия по повърхността на открити елементи, абразия на роторите на помпата, маркучите и дюзата и реална трудност при екструдиране през малки дюзи, където влакната се заклещват напречно на отвора и го запушват. Фибрите с огънати краища, които анкеруват механично, утежняват този проблем.

Базалтовите и стъклените влакна не корозират и са полезни в тънки сечения. Ключовият въпрос е алкалоустойчивостта: обикновеното Е-стъкло се разгражда във високоалкалния поров разтвор на портландцимента, затова се използва алкалоустойчиво AR-стъкло със съдържание на циркониев оксид. Трайността на базалтовите влакна в алкална среда зависи силно от обработката на повърхността и все още е предмет на изследвания, а не установена практика.

Естествените влакна — коноп, лен, юта, дървесни влакна и костра — се срещат в нисковъглеродни и глинени печатаеми смеси, където подобряват и якостта в прясно състояние на глинения разтвор. Те са евтини и с нисък вложен въглерод, но попиват вода, променят размерите си с влажността и с времето могат да се разграждат в алкална циментова матрица. Най-убедителни са при варови или глинени свързващи вещества, както и при неносещи елементи.

Два ефекта са по-съществени при печат, отколкото при изливане. Първият е ориентацията на влакната: преминаването на разтвора през маркуч и стесняваща се дюза ги подрежда предимно по посока на траекторията. Получената жилавост е анизотропна — по-висока по дължина на лентата и по-ниска напречно на нея. Това може да се използва целенасочено, като траекторията се съгласува с главната посока на опън, но е скрита слабост, когато проба, изпитана в едната посока, се използва като доказателство за поведение в другата. Вторият е междуслойната повърхност: влакната лежат основно в рамките на един слой и не пресичат фугата между слоевете, тоест не армират най-слабата равнина в елемента. Някои изследователски системи решават това чрез полагане на непрекъснат кабел или мрежа по време на печат, вместо да разчитат на дисперсни влакна.

Влакната променят и прясното състояние. Те повишават границата на провлачане, намаляват разстилаемостта и увеличават необходимото налягане при изпомпване, защото всяко влакно добавя повърхност и механично зацепване. На практика съдържанието на влакна се ограничава от изпомпваемостта и екструдируемостта, а не от механичния оптимум. Образуването на топки е обичайният дефект при смесване: влакна, добавени твърде бързо, в прекалено корава смес или наведнъж, образуват струпвания, които не се разпределят. Дължината на влакната се съпоставя с диаметъра на дюзата и радиуса на завоите, с ясен запас, защото влакната се натрупват при всяко стеснение.

Как се измерва

За втвърдения материал основният европейски метод е EN 14651 — изпитване на огъване в три точки на призма с нарез, което дава границата на пропорционалност и остатъчните якости на опън при огъване fR1 до fR4 при определени отвори на устието на пукнатината. Тези стойности захранват класификацията по fib Model Code 2010, която присъжда на фиброармирания бетон клас на якост и буква за поведение след напукване и е пътят, по който влакната влизат в конструктивното оразмеряване. ASTM C1609 е съответното изпитване на огъване в четири точки. Самите продукти се обхващат от EN 14889-1 (стоманени влакна) и EN 14889-2 (полимерни влакна) за деклариране на характеристики и оценка на съответствието.

В прясно състояние практическото измерване е разстилаемост на разтърсваща маса по EN 1015-3 преди и след добавяне на влакната, което количествено показва колко подвижност отнемат те. Ротационната или лопатковата реометрия може да даде граница на провлачане и вискозитет, но влакната нарушават геометрията на измерването, така че резултатите са ориентировъчни. Разпределението на влакната обикновено се проверява чрез отмиване на прясна проба или чрез броене на влакна в разрез на втвърден образец; при печатен материал броенето на ориентацията в два разреза е изследователски метод, а не стандартно изпитване. Контролът на пукнатините от пластично съсъхване се оценява с изпитвания на възпрепятствани плочи, например ASTM C1579. Независимо от метода, при проби, изрязани от печатни елементи, се отчита ориентацията спрямо траекторията, защото печатната проба не е равностойна на лята.

Типични стойности

Всички стойности по-долу са ориентировъчни, както се съобщават в общата литература за фиброармиран бетон и за 3D печат и в документацията на производителите. Те не са измервания на Concreef и не представляват спецификация.

Публикуваните изследвания се разминават значително, защото матрицата, геометрията на влакната и методът на изпитване са различни; таблицата е ориентир, а не изходни данни за оразмеряване.

Какво го променя

Обемната част на влакната е водещият фактор както за жилавостта, така и за загубата на подвижност. Отношението дължина към диаметър определя сцеплението и анкеровката: по-високото отношение дава по-голяма остатъчна якост, но по-лошо разпределение и изпомпваемост. Повърхностната обработка и формата на краищата решават дали влакното се изтегля постепенно, или се къса. Якостта на матрицата и финните фракции променят сцеплението: по-плътната матрица анкерува по-добре, но може да измести разрушението от изтегляне към скъсване и така да отнеме пластичността. Диаметърът на дюзата и маркуча, радиусът на завоите и типът помпа определят практическата горна граница за дължина и съдържание. Последователността и енергията на смесване определят разпределението, а геометрията на траекторията — ориентацията и следователно посоката, в която жилавостта изобщо съществува.

Типични дефекти и причини

Топки и струпвания създават кухини и отслабени зони и са дефект на смесването, а не на материала. Запушване на дюзата и скокове на налягането идват от дължина или съдържание на влакна над възможностите на геометрията и се проявяват първо при коляно или стеснение. Накъсване на лентата и груба повърхност се появяват, когато влакната вдигнат границата на провлачане над това, което екструдирането може да преодолее. Подценена анизотропия е най-коварният случай: елемент, изпитан по посока на печата, отговаря на очакванията, а после се напуква под очакваното при натоварване напречно на слоевете. Междуслойната слабост остава въпреки влакната, защото те не пресичат фугата. Корозионни петна по повърхността при стоманени фибри са проблем на трайността и външния вид при открити изделия. Разграждането на естествени или неалкалоустойчиви стъклени влакна в алкална матрица се проявява като бавна загуба на остатъчна якост, а не като незабавен дефект, което го прави лесно за пропускане при кратки изпитвания.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат с бетон със седалище в София. Тя провежда изпитвания на материали в работилницата си в София на принтер Crane WASP, в момента печата с търговски премикс и разработва собствена суха смес. Когато премиксът вече съдържа влакна, техният вид и количество са избор на доставчика, а практическата грижа в цеха е да се спазва процедурата на смесване, така че влакната да се разпределят, вместо да се сбиват на топки, и да се следят промените в налягането, които издават натрупване на влакна при дюзата.

Изборът на влакна се превръща в реално проектно решение при собствената суха смес, където въпросите са кой дефект има значение за конкретно печатаните изделия — пукнатини от пластично съсъхване при тънки декоративни елементи, жилавост след напукване при конструктивни макети — и каква дължина на влакната могат да пропуснат дюзата и маркучът на принтера без запушване. Concreef няма публикувани изпитвателни данни, не е характеризирал нито една смес по EN 14651 или друг стандарт и не представя никаква доза или якост като собствен резултат. Описаните тук стойности и поведения произтичат от стандарти и от публикуваната литература.