Устойчивост на принтирания бетон

Устойчивостта при 3D принтирания бетон е тема, на която лесно се отговаря погрешно. Печатането само по себе си не прави един елемент по-нисковъглероден - напротив, печатаемите разтвори обикновено са богати на свързващо вещество и на кубичен метър носят по-висок отпечатък от конвенционалния бетон със сходна якост. Реална полза може да възникне по два начина: като се вложи значително по-малко материал благодарение на геометрията, или като се промени съставът на самата смес. Всичко останало - отпадането на кофража, местните суровини, дълготрайността - има значение, но е второстепенно спрямо тези две. Тази страница разглежда какво се знае, какво не се знае и кои твърдения не издържат проверка.

Определение

Устойчивостта в контекста на принтирания бетон обхваща въздействието на един изпълнен елемент върху околната среда през целия му живот: добив и производство на суровините, транспорт, изпълнение, експлоатация, поддръжка и край на жизнения цикъл.

Мярката, която доминира разговора, е вграденият въглерод, обикновено изразен като килограми еквивалент на CO2. Тя не е единствената: разходът на вода, добивът на инертни материали, отпадъците и трайността също влизат в сметката. Но при бетона въглеродът има особена тежест, защото основната му съставка, циментовият клинкер, отделя CO2 както от изгарянето на гориво, така и от самото разлагане на варовика.

Ключовият въпрос при принтирането не е "колко е чист печатът", а "колко материал и какъв материал влиза в готовия елемент".

Ключови факти

• Производството на цимент се посочва от Глобалната асоциация за цимент и бетон (GCCA) и от международните секторни доклади като източник на порядъка на 7 на сто от световните емисии на CO2, като различните методики дават различни стойности.
• Изданията на Global Status Report for Buildings and Construction на UNEP и IEA приписват на сектора на сградите и строителството дял от порядъка на една трета от свързаните с енергия емисии в световен мащаб.
• Печатаемите разтвори са обикновено богати на свързващо вещество, поради което кубичен метър принтиран материал често има по-висок въглероден отпечатък от кубичен метър конвенционален бетон със сходна якост.
• Ползата за околната среда от 3D принтирането може да произтече главно от влагането на по-малко материал чрез оптимизирана геометрия и кухи сечения, а не от самия метод на изпълнение.
• Отпадането на кофража премахва свързаните с него материали, транспорт и труд, но при бетонов елемент това е обикновено второстепенна съставка спрямо дела на цимента.
• Допълващите свързващи материали и смесените цименти от типа LC3, документирани от проекта на EPFL, се считат за основния практически път към намаляване на клинкерното съдържание.
• Печатът със стабилизирани земни и глинени смеси избягва голяма част от клинкера, но налага ограничения по носимоспособност, устойчивост на влага и защита от атмосферни въздействия.
• Дълготрайността е самостоятелен лост за устойчивост, тъй като удвояването на експлоатационния срок разпределя вложения въглерод върху два пъти по-дълъг период.
• Публикуваните оценки на жизнения цикъл за 3D принтиран бетон се разминават силно според състава на сместа, избраната функционална единица и границите на системата, така че утвърдена представителна стойност към момента не съществува.
• Сравнението между принтиран и конвенционален елемент е коректно само при еднаква изпълнявана функция, включително еднаква носимоспособност, дълготрайност и топлотехнически показатели.

Как работи

За да се прецени дали един принтиран елемент е по-добър от алтернативата си, сметката трябва да се води на ниво елемент, а не на ниво материал. Отпечатъкът на елемента е произведение на два множителя: количеството вложен материал и отпечатъкът на единица материал. Принтирането влияе и на двата, но в противоположни посоки.

От страна на материала печатът работи срещу себе си. Ограничението върху едрината на пълнителя води до фин пясък и до повишен дял на циментово тесто. Изискването за способност за изграждане допълнително тласка състава към по-високо съдържание на свързващо и към по-нисък воден показател. Резултатът е смес, която на кубичен метър съдържа повече цимент от обикновения конструктивен бетон.

От страна на количеството печатът предлага възможности, които кофражът не дава. Стена може да бъде изпълнена като двойна обвивка с кухина вместо като плътно сечение. Ребрата могат да следват линиите на главните напрежения. Сечението може да се променя по височина. Топологичната оптимизация може да премахне материала, който не поема усилия. При кофражно изпълнение всяко от тези решения оскъпява оснастката непропорционално; при печат допълнителният разход е предимно в проектирането.

Оттук следва основният извод: ползата е геометрична, не материална. Ако принтираният елемент повтаря сечението на конвенционалния, той почти сигурно е по-лош по въглероден отпечатък. Ако използва значително по-малко материал за същата функция, може да е по-добър. Дали е - зависи от конкретния случай и се доказва с изчисление, а не с презумпция.

Отпадането на кофража влиза в сметката отделно. То премахва производството на кофражни материали, транспорта, монтажа, разкофраването и отпадъка, което при сложна еднократна дървена оснастка е осезаемо. При многократно използван системен кофраж делът на тази съставка е малък, защото разходът се разпределя върху много употреби.

Съставът на сместа е вторият лост, и той не е специфичен за печата. Заместването на част от клинкера с допълващи свързващи материали - сгурина, летяща пепел, калцинирана глина, варовиково брашно - е утвърденият път за намаляване на отпечатъка на всеки бетон. Съставите от типа LC3, при които калцинирана глина и варовик заместват значителна част от клинкера, се разработват активно и от проекта на EPFL, и от индустрията, като се изследват и за печатаеми приложения. При печат заместването има допълнителна особеност: допълващите материали влияят и върху реологията, така че промяната в състава изисква повторна настройка на добавките.

Местните и рециклирани пълнители допринасят по два начина: намаляват транспорта и намаляват добива на нови инертни материали. При печат обаче рециклираният пълнител е ограничен от изискването за фина и постоянна гранулометрия, което свива приложимостта му спрямо конвенционалния бетон.

Земните и глинените смеси представляват отделна посока. Те заменят цимента с местна почва, стабилизатори и растителни фибри, а свързването става чрез изсъхване. Вложената енергия е ниска, суровината обикновено е на място, а в края на живота материалът може да се върне в почвата. Ограниченията са реални: ниска носимоспособност, чувствителност към влага, нужда от стрехи и от защитен детайл, ограничена приложимост в определени климатични условия.

Дълготрайността често се пропуска, а е сред най-силните лостове. Вграденият въглерод е еднократен разход; ако елементът служи двойно по-дълго, разходът на година е наполовина. Обратно, елемент с преждевременно разрушаване от съсъхвателно напукване или от лоша междуслойна връзка е по-лош вариант, независимо от състава си. При принтирания бетон това означава, че отлежаването и качеството на връзката между слоевете са и въпрос на устойчивост, не само на якост.

Краят на жизнения цикъл и кръговостта са най-слабо развитата част. Бетонът се рециклира предимно като трошен пълнител за насипи и основи, което е понижаване на качеството, а не затваряне на цикъла. Принтираните елементи не се различават принципно, но там, където геометрията позволява сглобяемо изпълнение с механични връзки, демонтажът и повторната употреба на цели елементи стават възможни - път с по-голям потенциал от рециклирането в трошен вид.

Приложения

Подходите за намаляване на въздействието се прилагат различно според вида на елемента. При ненадеждащи и второстепенни елементи - градско обзавеждане, кашпи, огради, декоративни стени - изискванията за якост са ниски и позволяват смеси със значително заместване на клинкера, както и земни състави.

При стенни елементи основната полза идва от сечението: двойна обвивка с кухина за изолация вместо плътна стена, ребра вместо равномерна дебелина. Тук печатането може да се конкурира честно с конвенционалните решения.

При сглобяеми елементи, произведени в цех, се добавят по-добър контрол на отлежаването, по-малко отпадък и възможност за проектиране за демонтаж.

Предимства

Първото предимство е геометричната свобода, която прави икономията на материал възможна без разход за оснастка. Това е единственият механизъм, при който самото принтиране има ясен принос.

Второто е отпадането на кофража с всичко, което той носи - материал, транспорт, монтаж и отпадък, особено при сложни еднократни форми.

Третото е точността на дозирането. Печатът работи с премерен материал и дава по-малко остатък от изливането в кофраж, при което остатъчният бетон често се изхвърля.

Четвъртото е съвместимостта с намалено клинкерно съдържание. Печатаемите смеси и без това изискват висок дял фини частици, което прави допълващите свързващи материали естествена част от състава, а не добавка по изключение.

Петото е потенциалът за местни суровини, включително глинени и земни смеси, при които транспортът е кратък.

Ограничения

Най-същественото ограничение е вече казаното: печатаемата смес е богата на свързващо и на кубичен метър обикновено е по-лоша от конвенционалния бетон. Всяко твърдение за екологично предимство, което не отчита това, е подвеждащо.

Второ, данните са слаби. Публикуваните LCA изследвания се разминават силно и често стигат до противоположни изводи, защото сравняват различни смеси, използват различни функционални единици и поставят различни граници на системата. Резултат, който изключва армировката или експлоатационната фаза, не е сравним с такъв, който ги включва.

Трето, сравнението често е несправедливо. Принтиран елемент се сравнява с конвенционален, който изпълнява повече функции - носене, топлоизолация, огнеустойчивост, завършена повърхност. Коректното сравнение изисква еднаква изпълнявана функция.

Четвърто, оптимизираната геометрия не винаги е приложима. Намаляването на материала е ограничено от изискванията за армиране, за покривен слой на армировката, за огнеустойчивост и за минимални дебелини по действащата нормативна уредба.

Пето, заместването на клинкера има практически граници, свързани с наличието на суровина, със скоростта на набиране на якост и с дълготрайността, които изискват проверка за всеки конкретен случай.

Шесто, кръговостта на бетона остава ограничена. Рециклирането като трошен пълнител е понижаване на качеството, а повторната употреба на цели елементи изисква проектиране за демонтаж още в началото.

Накрая, липсата на утвърдени стойности означава, че всяко конкретно число трябва да бъде придружено от методиката си. Числа без граници на системата не са информация.

Свързани понятия

• Допълващи свързващи материали - материали, които заместват част от клинкера и намаляват отпечатъка на сместа.
• LC3 цимент - смесен цимент на базата на калцинирана глина и варовик с намалено клинкерно съдържание.
• Геополимер - свързващо на базата на алкално активиран алумосиликат, без портландцимент.
• Строителство без кофраж - изпълнение, при което формата се задава от траекторията, а не от оснастка.
• Печатаем разтвор - циментов композит, чиято реология го прави обикновено богат на свързващо вещество.
• Отлежаване - задържането на влага в ранна възраст, от което зависи дълготрайността на елемента.
• Пукнатини от съсъхване - дефект, който съкращава експлоатационния срок и с това влошава сметката за устойчивост.
• Префабрикирани елементи - елементи, произведени в цех, при които контролът и проектирането за демонтаж са по-лесни.
• Адитивно строителство - изграждане чрез последователно добавяне на материал, при което икономията идва от геометрията.

Източници

• GCCA - Concrete Future, пътна карта към нулеви нетни емисии: https://gccassociation.org/concretefuture/
• UNEP / IEA - Global Status Report for Buildings and Construction: https://www.unep.org/resources/report/global-status-report-buildings-and-construction
• LC3 - Limestone Calcined Clay Cement, EPFL: https://lc3.ch/
• RILEM TC 276-DFC - Digital fabrication with cement-based materials: https://www.rilem.net/
• fib - International Federation for Structural Concrete: https://www.fib-international.org/

Concreef в контекст

По устойчивостта Concreef не може да представи никакви собствени числа и не се опитва. Няма извършена оценка на жизнения цикъл, няма измерен въглероден отпечатък и няма основание да се твърди, че печатаната в работилницата в София смес е по-добра или по-лоша от конвенционален бетон. Работата е на ниво проби: пробни стенни отпечатъци с размер около метър и изпитвания на състави.

Намерението е ясно и е формулирано като намерение, а не като резултат - смес с намалено клинкерно съдържание от местни суровини, както и работа с глинени и земни състави в малък мащаб. Дали и доколко тези посоки ще дадат измеримо предимство, ще покажат изпитванията. Докато такива няма, всяко екологично твърдение от страна на Concreef би било предположение, а предположенията нямат място в разговора за емисии.