Материалознание на печатаемия бетон

Материалознанието на печатаемия бетон се занимава с въпроса как една циментова смес може едновременно да се изпомпва през маркуч, да излиза през дюза като непрекъсната нишка и веднага след това да носи тежестта на слоевете над себе си. Тези три изисквания сочат в различни посоки, затова печатаемият разтвор не е обикновен бетон с друга консистенция, а отделно проектиран материал. Съставът му е богат на свързващо вещество, пълнителят е фин, а поведението във времето се управлява чрез химични добавки и чрез момента на въвеждането им. Голяма част от практическото ноу-хау в 3D принтирането на бетон е всъщност материалознание, а не машиностроене.

Определение

Печатаемият разтвор е циментов композит, проектиран така, че реологичните му свойства да се променят контролирано в рамките на минути: течлив при изпомпване и екструдиране, устойчив на деформация непосредствено след полагане.

Съставът обикновено включва портландцимент или смесен цимент, допълващи свързващи материали, фин пълнител с ограничена максимална едрина, вода в относително ниско съотношение спрямо свързващото, суперпластификатор, модификатор на вискозитета и често ускорител, дозиран отделно. При част от съставите се добавят и фибри.

Ограничението върху едрината на пълнителя идва от геометрията на машината. Най-тясното проходно сечение по пътя на сместа - шнекът на екструдера, вътрешният диаметър на маркуча и отворът на дюзата - определя максималното зърно. Практиката работи с фини пясъци и изключва едрия пълнител, обичаен за конструктивния бетон. Последицата е повишен разход на циментово тесто, защото по-фините зърна имат по-голяма обща повърхност, която трябва да бъде обвита.

Ключови факти

• Печатаемите разтвори са обикновено богати на свързващо вещество, защото ограничената едрина на пълнителя изисква повече циментово тесто на единица обем.
• Максималната едрина на пълнителя се определя от най-тясното проходно сечение по пътя на сместа, а не от изискванията към якостта.
• Границата на протичане управлява способността за изграждане, докато вискозитетът влияе главно върху налягането при изпомпване и върху равномерността на нишката.
• Структурното нарастване описва повишаването на границата на протичане във времето и се разглежда в литературата на RILEM TC 276-DFC като определящо свойство за скоростта на печат.
• Отвореното време ограничава допустимия интервал между полагането на два съседни слоя и се съкращава при висока температура и ниска влажност.
• Управляваното втвърдяване чрез дозиране на ускорител при дюзата разделя изискванията за помпаемост и за способност за изграждане, тъй като сместа остава течлива в тръбопровода.
• Междуслойната връзка е най-слабото място в принтирания елемент и определя както якостта, така и водоплътността му.
• Допълващите свързващи материали и LC3 се разглеждат като основен път за намаляване на клинкерното съдържание, като проектът LC3 на EPFL документира състав на базата на калцинирана глина и варовик.
• Принтираният бетон е анизотропен материал, при който свойствата зависят от посоката на натоварване спрямо посоката на полагане на нишките.
• Съсъхването при печатаемите смеси е повишено поради високото съдържание на свързващо и голямата открита повърхност на прясно положената нишка, което прави отлежаването критично, а не препоръчително.

Как работи

Реологичното поведение на печатаемия разтвор се описва най-просто с два параметъра: граница на протичане и вискозитет. Границата на протичане е напрежението, което трябва да бъде надвишено, за да започне течение. Под нея материалът се държи като твърдо тяло. Именно тя решава дали положеният слой ще запази формата си под тежестта на следващите.

Ключът е, че границата на протичане не е константа. При печатаема смес тя има две съставки. Първата е тиксотропната: под срязване вътрешната структура от флокули се разрушава и материалът става подвижен, а в покой се възстановява за секунди до минути. Тази част е обратима. Втората е структурното нарастване вследствие на ранната хидратация - необратимо повишаване на коравината, което върви с времето от смесването.

Практическият извод е, че скоростта на печат и геометрията на елемента трябва да бъдат съгласувани със скоростта на нарастване. Ако машината се връща на същото място твърде бързо, долните слоеве още не са поели; ако се връща твърде бавно, се изчерпва отвореното време и се получава студена фуга.

Отвореното време е вторият времеви параметър. То зависи от състава, от температурата на околната среда, от влажността и от вятъра. В условията на континентално лято в София прясно положена нишка може да образува повърхностна коричка значително по-бързо, отколкото при вътрешен печат, което налага или ускоряване на цикъла, или овлажняване, или промяна в дозировката.

Управляваното втвърдяване решава конфликта между помпаемост и способност за изграждане по най-прекия начин. Основната смес се проектира като течлива и с дълго отворено време, а ускорител се въвежда непосредствено преди или в самата дюза, обикновено чрез втори дозиращ кръг и статичен смесител. Така по цялата дължина на тръбопровода сместа е лесна за изпомпване, а веднага след дюзата коравината скача. Цената на този подход е допълнително оборудване, необходимост от прецизно дозиране и чувствителност към прекъсвания: спре ли дозирането, характеристиките на нишката се променят веднага.

Междуслойната връзка се определя от три фактора: колко е втвърдена повърхността на долния слой в момента на полагане, колко натиск упражнява горният слой и дали между тях има вода или коричка. Прекалено бързото втвърдяване води до слабо сцепление и до пори по границата. Затова отвореното време не бива да се съкращава безогледно в стремеж към по-висока способност за изграждане.

Химичните добавки покриват три отделни задачи. Суперпластификаторът намалява водното съдържание при запазена подвижност, което повишава якостта и намалява съсъхването. Модификаторът на вискозитета (VMA) задържа водата в сместа и предотвратява разслояването при изпомпване под налягане. Ускорителят управлява момента на втвърдяване. Трите взаимодействат помежду си и с цимента, така че всяка промяна в един от компонентите изисква повторна настройка на останалите. Това е причината сместа да се разработва като система, а не като списък от съставки.

Допълващите свързващи материали - сгурина, летяща пепел, калцинирана глина, варовиково брашно, силициев прах - заместват част от клинкера. При печатаеми смеси те имат двойна роля: освен намаляване на клинкерното съдържание, влияят и върху реологията. Калцинираната глина например повишава водопотребността и тиксотропията, което може да е желано за способността за изграждане, но изисква корекция на суперпластификатора. Съставите от типа LC3, документирани от проекта на EPFL, комбинират калцинирана глина и варовик и се изследват активно за печатаеми приложения.

Геополимерите представляват отделно направление: свързването се постига чрез алкално активиране на алумосиликатен прекурсор вместо чрез хидратация на портландцимент. Реологията им е подходяща за екструзия, а публикуваните резултати са обнадеждаващи, но чувствителността към суровината, работата с алкални разтвори и липсата на нормативна рамка ограничават приложението предимно до изследователски и специализирани случаи.

Съсъхването заслужава отделно внимание. Печатаемата смес има високо съдържание на свързващо, ниско водно съотношение и много голяма открита повърхност спрямо обема - прясно положената нишка е изложена от три страни. Комбинацията благоприятства както пластичното, така и автогенното съсъхване. Мерките включват отлежаване чрез покриване или мъглуване, вътрешно отлежаване чрез наситени леки пълнители, добавки, компенсиращи съсъхването, и разпределени фибри. Пропуснатото отлежаване се проявява като мрежа от пукнатини, които влошават едновременно външния вид и дълготрайността.

Приложения

Настройката на сместа определя какво може да бъде отпечатано. Стенни елементи с висока обвивка изискват бърз растеж на границата на протичане, защото натоварването от натрупващите се слоеве расте бързо. Елементи с малка височина и сложен план, каквито са кашпите и градското обзавеждане, допускат по-бавно втвърдяване и печелят от по-дългото отворено време, което подобрява междуслойната връзка.

При печат в цех температурата и влажността могат да се контролират, което позволява по-тясно настроен състав. При печат на място сместа трябва да има по-широк работен прозорец, за да понесе променливите условия.

Печатът с глина и земни смеси използва същите реологични принципи, но свързването се постига чрез изсъхване и чрез стабилизатори, а не чрез хидратация на цимент. Работният прозорец там се определя главно от скоростта на изсъхване.

Предимства

Проектирането на сместа като система дава контрол, какъвто конвенционалното бетониране не изисква. Веднъж настроен, съставът позволява повторяемост между отпечатъци и предвидимо поведение при зададена скорост на печат.

Високото съдържание на фини частици води до плътна матрица и до гладка повърхност на нишката, което при подходящо отлежаване дава добра устойчивост на проникване.

Отделното дозиране на ускорител разширява значително оперативния прозорец: една и съща основна смес може да обслужва различни геометрии чрез промяна само на дозировката.

Допълващите свързващи материали позволяват намаляване на клинкерното съдържание, като едновременно се използват реологичните им ефекти, вместо да се компенсират.

Ограничения

Високото съдържание на свързващо е присъщо ограничение, а не временен недостатък. То повишава разхода, съсъхването, топлоотделянето при хидратация и въглеродния отпечатък на кубичен метър спрямо конвенционален бетон със сходна якост. Ползата от принтирането трябва да идва от употребата на по-малко материал, а не от самия материал.

Работният прозорец е тесен и чувствителен. Промяна в партидата цимент, във влажността на пясъка или в температурата на водата измества поведението и налага повторна настройка.

Междуслойната връзка остава по-слаба от вътрешността на нишката и трудно се изпитва по стандартизирана процедура, тъй като няма утвърден метод за принтирани образци.

Анизотропията усложнява изчисленията: свойствата зависят от посоката, а изпитването върху изрязани от отпечатък образци не винаги отразява поведението на елемента.

Фибрите не заместват армировката, а разпределението им в екструдирана нишка зависи от потока и не е напълно контролируемо.

За геополимерите и за част от съставите с високо заместване на клинкера липсва както дългосрочна експлоатационна история, така и нормативна рамка, което ограничава употребата им в отговорни елементи.

Свързани понятия

• Печатаем разтвор - циментов композит, проектиран за изпомпване, екструдиране и незабавна собствена устойчивост.
• Тиксотропия - обратимо намаляване на коравината под срязване и възстановяването ѝ в покой.
• Граница на протичане - напрежението, което трябва да бъде надвишено, за да започне сместа да тече.
• Отворено време - интервалът, в който положен слой все още образува пълноценна връзка със следващия.
• Междуслойна връзка - сцеплението между два съседни слоя, което определя якостта и водоплътността на елемента.
• Управлявано втвърдяване - подход, при който ускорител се въвежда при дюзата, за да раздели помпаемостта от способността за изграждане.
• Суперпластификатор - добавка, която намалява водното съдържание при запазена подвижност.
• Модификатор на вискозитет - добавка, която задържа водата и предотвратява разслояване при изпомпване.
• Допълващи свързващи материали - материали, които заместват част от клинкера и влияят върху реологията и дълготрайността.
• LC3 цимент - смесен цимент на базата на калцинирана глина и варовик с намалено клинкерно съдържание.

Източници

• RILEM TC 276-DFC - Digital fabrication with cement-based materials: https://www.rilem.net/
• LC3 - Limestone Calcined Clay Cement, EPFL: https://lc3.ch/
• ISO/ASTM 52900 - Адитивно производство, обща терминология: https://www.iso.org/standard/74514.html
• fib - International Federation for Structural Concrete: https://www.fib-international.org/

Concreef в контекст

Материалната работа на Concreef е в прототипна фаза. В момента се печата с търговски печатаем премикс, а паралелно се разработва собствена смес от местни суровини. Целта е познат и възпроизводим състав, чието поведение е настроено към конкретната машина: шнеков екструдер LDM XXL с дюза в посочения от производителя диапазон 25-38 мм.

Никоя от тези смеси не е изпитана по стандартизирана процедура, няма технически лист и няма сертификация. По-нисковъглеродните и глинените състави са проектно намерение, а не доказан продукт. Всичко произведено досега са пробни стенни отпечатъци с размер около метър и лабораторни проби. Когато някой пита за конкретни якостни показатели, честният отговор е, че такива още не са установени, и разговорът започва оттам.