Немного о технологии гибкого бетона
Инженеры из Университета Нью-Мексико, государственного научно-исследовательского учреждения, известного своими разработками в области передовых строительных материалов, запатентовали гибкий бетон, предназначенный для 3D-печати. Исследователи с факультета гражданского строительства, архитектуры и охраны окружающей среды имени Джеральда Мэя стремились решить проблему хрупкости, высоких трудозатрат и опасностей, связанных с традиционными методами строительства. Этот новый композит, классифицируемый как самоуплотняющийся сверхпластичный цементный материал, может стать основой для более устойчивой инфраструктуры, снизив при этом зависимость от стальных стержней и тяжёлой техники.
Традиционный бетон известен своей прочностью на сжатие, но по своей природе он хрупкий, что приводит к частым трещинам и необходимости регулярного обслуживания таких объектов инфраструктуры, как тротуары и мосты. Марьям Ходжати, доцент кафедры Джеральда Мэя в Университете Нью-Мексико, назвала это ограничение основной мотивацией для их исследования. «Бетон сам по себе не обладает свойствами, позволяющими ему растягиваться», — объяснила Ходжати. Чтобы решить эту проблему, команда добавила в бетонную смесь короткие полимерные волокна, которые позволили бетону выдерживать как изгибающие, так и растягивающие нагрузки без разрушения.
История создания гибкого бетона
Аспирант Мухаммад Саид Зафар, защитивший докторскую диссертацию летом 2024 года, сыграл ключевую роль в разработке материала. Зафар подчеркнул, что 3D-печать бетона сопряжена с трудностями, отметив, что, в отличие от металлов и пластика, для печати бетона по-прежнему требуется армировка стальными прутьями. «Если мы сможем успешно разработать сверхпластичный материал без использования обычных стальных прутьев, это решит проблему несовместимости армировки с процессом 3D-печати», — заявил он. Полученный материал, известный как самоуплотняющийся сверхпластичный цементный материал, сохраняет структурную целостность без внешних опор.
В процессе разработки проводились тщательные эксперименты с различными волокнами и добавками, в том числе с поливиниловым спиртом, летучей золой, кремнезёмными пылями и волокнами полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы. Зафар и его команда стремились найти оптимальный баланс, при котором материал мог бы проходить через сопло 3D-принтера, не засоряясь, но при этом сохраняя достаточно волокон, чтобы напечатанная конструкция не разрушалась. После многочисленных испытаний команда успешно создала четыре различных смеси, которые обеспечивают увеличение прочности на 11,9%.
Ходжати отметила потенциальное влияние этого материала на крупномасштабные строительные проекты. “Если мы будем использовать этот материал в более широком масштабе, мы сможем свести к минимуму требования к внешнему армированию печатной бетонной конструкции”, - сказала она. Исследование финансировалось за счет грантов Транспортного консорциума Южно-Центральных штатов и Университетского транспортного центра Шестого региона, поддерживающих разработку и тестирование инженерных цементирующих материалов для 3D-печати.
Бетонная инновация с 3D-печатью
Параллельный прогресс в производстве 3D-печати подчеркивает растущий акцент на экологичности. В ETH Zurich исследователи представили Impact Printing, роботизированную строительную технологию, использующую земные материалы, такие как песок, глина и гравий. Этот метод сокращает выбросы углерода за счет устранения необходимости в цементе и основан на материалах местного производства, пригодных для вторичной переработки. При ударной печати используется высокоскоростной роботизированный инструмент для склеивания слоев грунтовых материалов, что обеспечивает немедленную прочность конструкции без химических стабилизаторов. Этот метод позволяет возводить двухэтажные стены с минимальным воздействием на окружающую среду, представляя собой экологичную альтернативу традиционным методам 3D-печати.
Аналогичным образом, Университет Вирджинии добился успехов в повышении экологичности бетона, напечатанного на 3D-принтере. Исследователи из университета разработали цементный композит, включив в него нанопластинки графена с кальцинированной глиной. Команда обнаружила, что добавление всего 0,05% нанопластинок по массе повышает прочность на сжатие на 23% и снижает выбросы парниковых газов почти на 31% по сравнению с традиционными цементными смесями. Этот бетон с добавлением графена не только повышает прочность конструкции, но и соответствует экологическим целям, сводя к минимуму углеродный след строительных материалов.