Якост на натиск на печатан бетон
Якостта на натиск е максималното напрежение на натиск, което втвърденият циментов материал понася до разрушаване, определя се по EN 12390-3 върху стандартни проби, а при печатан материал зависи от посоката на натоварване спрямо слоевете.
Обновено
Якостта на натиск е максималното напрежение на натиск, което втвърденият циментов материал понася преди разрушаване, изразява се в мегапаскали и се определя върху стандартни проби, натоварени до счупване. При обикновения бетон това е водещата проектна характеристика — числото, което влиза в спецификациите и по което се определят класовете по якост. При 3D печатания материал измерването остава смислено, но вече не е едно число: печатаният материал има слоеста структура, така че якостта му зависи от посоката на натоварване, а пробата се изважда от печатано тяло, вместо да се излива във форма. Всяка стойност за печатан материал, посочена без посоката на натоварване, геометрията на пробата и начина на изваждането ѝ, е непълна.
Какво е това и защо е важно
Якостта на натиск на циментовия материал се определя главно от порестостта на втвърдения циментов камък. Правилото на Абрамс и по-ранната, по-обща формулировка на Фере изразяват един и същ физичен факт: при дадено свързващо вещество и степен на хидратация якостта пада с нарастване на водоциментовото отношение. Водата, която не се консумира от хидратацията, оставя след себе си капилярни пори, а именно там започва разрушаването. Носещата фаза е калциево-силикатният хидрат — C-S-H гелът, който се образува при реакцията на силикатните клинкерни фази. Обемният му дял спрямо капилярната порестост е това, което изпитването на натиск измерва косвено.
Затова якостта на натиск носи повече информация, отколкото подсказва името ѝ. Плътният, малкопорест циментов камък е едновременно по-як и по-слабо пропусклив, така че якостта корелира приблизително с дълготрайността. Корелира и с коравината, макар и слабо: модулът на еластичност зависи силно от добавъчния материал, а при печатаемия разтвор той е фин и с по-нисък обемен дял, отколкото при обикновения бетон. Затова печатаемият разтвор може да бъде сравнително як и същевременно по-малко корав. Най-важната връзка на практика е и най-слабата: якостта на опън на бетона е около един порядък под якостта на натиск. Печатаните елементи се напукват и разрушават по границите между слоевете далеч преди циментовият камък да бъде смачкан — затова якостта на натиск е необходима, но рядко достатъчна информация.
При печатания материал всичко това се усложнява по конкретни начини. Той се полага без вибриране и без уплътняване, така че въздухът, който потопяемият вибратор би извадил от излят елемент, остава вътре. Границите между слоевете внасят равнини с намалена непрекъснатост, а геометрията на полагане често оставя междуслойни празнини в страничните зони на лентата. Резултатът е анизотропия: проба, натоварена перпендикулярно на равнините на слоевете, се държи различно от проба, натоварена успоредно на тях, и отново различно от проба, натоварена по посоката на печат. Поради това контролна излята проба със същия състав е полезна отправна точка за химията на свързващото вещество, но не е същият материал като печатания елемент. Тя показва на какво е способно свързващото вещество, а не какво прави печатаното тяло.
Класовете по якост допълват картината. EN 206 определя класове по якост на натиск заедно с рамка за съответствие: правила за вземане на проби, видове образци, критерии за идентичност и производствен контрол. Печатан елемент не може просто да бъде обозначен с клас, защото този път предполага изливане и изотропен материал. Присвояването на клас на печатан материал изисква договорен път за оценка.
Как се измерва
При втвърден бетон якостта на натиск се определя по EN 12390-3, като формите и допустимите отклонения на пробите са дадени в EN 12390-1, а изработването и отлежаването — в EN 12390-2. Северноамериканският еквивалент е ASTM C39 върху цилиндри. За разтвори, включително голяма част от печатаемите смеси с добавъчен материал до няколко милиметра, EN 1015-11 определя якостта на огъване и на натиск върху призми и техните половини.
Свързаните характеристики имат собствени методи: EN 12390-13 за секущия модул на еластичност при натиск, EN 12390-6 за якост на опън при разцепване и EN 12390-8 за проникване на вода под налягане.
При печатания материал стандартното изработване на образци отпада. Пробите се изрязват или изкорняват от печатани блокове след втвърдяване, което носи собствени особености: увреждане от рязането, необходимост от равнинни и успоредни натоварвани повърхнини (шлифовани или изравнени) и изборът откъде в печатаното тяло се взема пробата — долните слоеве са уплътнени от тежестта над тях, горните не са. Всяка проба трябва да се маркира с ориентацията си спрямо равнините на слоевете, а резултатите да се отчитат по посоки, а не да се осредняват общо.
Геометрията също има значение. Резултатите от кубове и цилиндри не са взаимозаменяеми — цилиндричните стойности по конвенция са по-ниски заради ограничаването от плочите на пресата и отношението височина/диаметър — а по-малките проби отчитат по-високи якости заради статистическия мащабен ефект. Сравняването на кубова стойност от печатан материал с цилиндрична от излят без отчитане на прехода е чест източник на объркване.
Възрастта е последната променлива. Стойността на 28 дни е конвенционалната отправна точка, но хидратацията продължава и след нея, а смеси с минерални добавки като летяща пепел, шлака или калцинирана глина обикновено дават по-ниска ранна якост и продължаващ прираст на 56 и 90 дни. Възрастта при изпитване задължително се отчита.
Типични стойности
Стойностите по-долу са ориентировъчни и произхождат от публикуваната литература за 3DCP и за разтвори в общ план. Те не са измервания на Concreef.
| Величина | Ориентировъчен диапазон | Основание |
|---|---|---|
| Якост на натиск на 28 дни, печатаеми циментови разтвори | приблизително 30–80 MPa | стойности, докладвани в публикувани изследвания за 3DCP; широк диапазон поради различното съдържание на свързващо вещество |
| Анизотропия между посоките на натоварване | обикновено от няколко процента до десетки проценти разлика | типично разсейване, докладвано в литературата за изрязани печатани проби |
| Якост на опън спрямо якост на натиск | около един порядък по-ниска | общо поведение на бетона, учебникова зависимост |
| Модул на еластичност на циментови разтвори | обикновено по-нисък от този на обикновен бетон със същата якост | следствие от по-малкия обем едър добавъчен материал, според литературата за разтвори |
| Кубова спрямо цилиндрична стойност | цилиндричните стойности по конвенция са по-ниски | конвенция за геометрия на пробата, заложена в означенията на класовете по EN 206 |
| Късен прираст при минерални добавки | измерим прираст на 56 и 90 дни | типично за системи с летяща пепел, шлака и калцинирана глина в публикувани изследвания |
Какво го променя
Водещата променлива е водоциментовото отношение. Намаляването му повишава якостта — до момента, в който сместа вече не може да се екструдира или водата не стига за хидратацията. Тъй като печатаемите разтвори обикновено се проектират с ниско в/ц и високо съдържание на свързващо вещество, те попадат в горния край на диапазона за разтвори и плащат за това с автогенно свиване.
Следват видът и количеството на свързващото вещество. Видът цимент по EN 197-1, делът и активността на минералните добавки и финността на праховата фракция променят както нивото, така и скоростта на нарастване на якостта. Добавъчният материал участва чрез собствената си якост и коравина, зърнометрията и сцеплението с циментовия камък; финият пясък в печатаемия разтвор ограничава приноса му към коравината.
Химичните добавки действат косвено. Суперпластификаторите позволяват по-малко вода при същата обработваемост, което повишава якостта. Ускорителите, често дозирани на дюзата, ускоряват ранното втвърдяване, но при предозиране могат да понижат късната якост.
Полагането и отлежаването са мястото, където печатаният материал се разминава с излетия. Липсата на вибриране оставя защипан въздух; лошият контрол на екструзията оставя празнини в страничните зони на лентата; дългото открито време оставя слабо сцепени граници. Условията на отлежаване — температура, влажност и дали повърхността е покрита — променят и скоростта, и тавана на нарастване на якостта, а печатаният елемент има далеч по-голяма открита повърхност на единица обем от излетия.
Типични дефекти и причини
Най-честият практически проблем са зависещи от посоката резултати, отчетени като едно число. Така между отделни серии изпитвания се появява привидна несъгласуваност, която всъщност е незаписана разлика в ориентацията.
Междуслойните празнини дават ниски и силно разсеяни стойности, често с повърхнини на разрушаване, следващи границата между слоевете. Недостатъчното уплътняване се разпознава по видим защипан въздух върху изрязаното сечение и якост, чувствително под контролната излята проба със същия състав. Дефектите при подготовката на пробите — неуспоредни повърхнини, увреждане от рязане, лошо изравнени челни повърхнини — водят до преждевременно разрушаване и подвеждащо ниски стойности и се разпознават по картината на разрушаване, а не по числото.
Предозираните с ускорител смеси могат да дадат приемлива ранна и разочароваща 28-дневна якост. Недостатъчното отлежаване, особено при сухо или ветровито време, оставя повърхностните слоеве недохидратирани и напукани, така че проба, изрязана от външната кора, отчита по-малко от масата на материала — докато проба, взета само от долната, самоуплътнена част на висок печат, отчита повече.
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 на тази страница не бива да се чете като измерване или гаранция за характеристики от страна на Concreef.
В практиката на работилницата якостта на натиск е характеристиката, около която се подреждат всички останали наблюдения. Смес, която печата добре, но с неизвестна втвърдена якост, не е използваема смес, а стойност, получена върху контролна излята проба от премикс, не описва това, което излиза от дюзата. Затова работният подход на Concreef е печатаният и излетият материал да се третират като различни, да се планират проби, изрязани от печатани блокове със записана посока на натоварване, и променливите на полагането — постоянство на екструзията, открито време, отлежаване на печатаната повърхност — да се държат под наблюдение. Всички стойности за якост, публикувани в бъдеще, ще посочват метода на изпитване, геометрията на пробата, начина на изваждане, възрастта и посоката на натоварване спрямо слоевете.
Често задавани въпроси
- Защо якостта на натиск е първото, за което всички питат?
- Това е най-евтиното и най-възпроизводимо измерване върху втвърден циментов материал и корелира приблизително с повечето други механични характеристики, затова нормите исторически я ползват като основен входен параметър за проектиране. Тя отразява и капилярната порестост на циментовия камък, която определя и дълготрайността. Това я прави полезен индикатор, но само индикатор, а не пълно описание на материала.
- По-слаб ли е печатаният материал от излетия със същия състав?
- Не непременно по-слаб, но е различен. Печатаният материал се полага без вибриране и съдържа граници между слоеве и междуслойни празнини, каквито излятата проба няма, затова якостта му зависи от посоката и разсейването обикновено е по-голямо. В публикуваните изследвания печатани проби се отчитат под, наравно или понякога над контролните излети проби, в зависимост от състава и посоката на натоварване.
- Може ли на печатан елемент да се присвои клас по якост по EN 206?
- Не автоматично. Класовете по EN 206 вървят заедно с рамка за съответствие, изградена около вземане на проби и изпитване на излети образци от производство на бетон. Печатаният материал се полага по друг начин и е анизотропен, затова присвояването на клас изисква договорен път за оценка на съответствието, обикновено чрез техническа оценка, а не по обичайните правила за производство на бетон.
- Защо трябва да се посочва посоката на натоварване?
- Защото печатаната проба има слоеста структура и натоварване перпендикулярно на слоевете, успоредно на тях или по посока на печата дава различни резултати за един и същ материал. Якост на натиск, посочена без посоката спрямо равнините на слоевете, не е възпроизводима. Минимумът за смислена стойност е да се посочат посоката, геометрията на пробата и начинът на изваждането ѝ.
- Как якостта на натиск се отнася към якостта на опън?
- Якостта на опън на бетона е приблизително с един порядък по-ниска от якостта на натиск и не нараства пропорционално: двойно по-висока якост на натиск дава далеч по-малко от двойно по-висока якост на опън. Затова напукването, междуслойното сцепление и армирането, а не носимоспособността на натиск, обикновено определят проектирането на печатани елементи.