Материал: Строительство и недвижимость научный журнал. Мищенко В.Я., Мещерякова О.К

Выпуск 1(4), 2019

List of references

1.Vasilenko A. N. Design and construction of monolithic buildings and structures using pneumatic formwork: studies. manual/ A. N. Vasilenko; Voronezh. state arch.-stroit Univ. of Illinois – Voronezh, 2010. – 180 p.

2.Mikhnevich I. V., Nikolenko S. D. the Use of aggregates in pre-fabricated structures based on pneumatic formwork // Scientific journal of construction and architecture. - 2015, -3 (39). Pp. 39-46.

3.Kuznetsov A. A. Improvement of the technology of construction of fiber reinforced monolithic arches on pneumatic formwork. Technical and economic comparison with analogues [Text]

/A. A. Kuznetsov, D. A. Kazakov // Scientific Bulletin of the Voronezh state University of architecture and construction. Student and science. – 2016. - №3(11). Pp. 9-14.

4.Panarina E. S. Improvement of the construction fibroareolar monolithic arches on inflatable formwork. Modern materials for the implementation of the proposed technology [Text] / E. S. Panarina, D. A. Kazakov // Scientific Bulletin of the Voronezh state University of architecture and construction. Student and science. – 2016. - №3(11). P. 25-32.

5.Tkachenko, A.N. The technology of erecting wavy fibro-reinforced vaults on

frame-type pneumatic formwork / A.N.Tkachenko, D.A. Kazakov, V.A. Chertov, A.N. Vasilenko, A.A. Arzumanov // In the collection: Problems of modern economic, legal and natural sciences in Russia. Collection of materials of the VI International Scientific Practical Conference. 2017. pp. 101104.

55

Выпуск 1(4), 2019

УДК 69.057.5:624.94

ХАРАКТЕРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ 3D-ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ: РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА АРМИРОВАНИЯ

Д. А. Казаков, В. Д. Репка10

Казаков Дмитрий Александрович, Воронежский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии, организации строительства, экспертизы и управления недвижимостью, E-mail: k_di@list.ru

Репка Владимир Дмитриевич, Воронежский государственный технический университет,

магистрант гр. М 242, E-mail: repka002@mail.ru

Аннотация: статья посвящена технологии 3D-печати в строительстве, рассмотрены современные проблемы этой технологии и предложены пути решения некоторых проблем, например, вопрос армирования для повышения характеристик получаемых конструкций. В статье произведен анализ существующих строительных материалов, которые могут применяться для 3D-печати, рассмотрены существующие способы армирования и выбран наиболее эффективный – дисперсное армирование. Рассмотрена сравнительная характеристика фиброволокон на основе стекла и базальта. Получен вывод о том, что при введении фиброволокна на основе базальта повышается прочность, преимущественно, при изгибе. Также рассмотрены различные виды фиброармирущих волокон и выбраны наиболее эффективные.

Ключевые слова: 3D-принтер, фибробетон, проблемы 3D-технологии, армирование.

TYPICAL PROBLEMS OF 3D-TECHNOLOGIES IN CONSTRUCTION, CONSIDERATION OF REINFORCEMENT.

D. A. Kazakov, V. D. Repka

Dmitry AleksandrovichKazakov, Voronezh state technical University, kand.Techn.associate Professor of technology, organization of construction, expertise and real estate management, E- mail: k_di@list.ru

Repka Vladimir Dmitrievich, Voronezh State Technical University, Student of group M242 Institute of Magistrates, E-mail: repka002@mail.ru

Abstract: The article is devoted to the technology of 3D printing in construction, modern problems of this technology are considered and ways of solving some problems are offered. In particular, the issue of reinforcement to improve the characteristics of the resulting structures. The article analyzes the existing building materials that can be used for 3d printing, considers the existing methods of reinforcement, and selected the most effective – dispersed reinforcement. Considered the comparative characteristics of on the basis of glass and basalt. It is concluded that the introduction of fiber based on basalt increases the strength, mainly in bending. Various types of fiber-reinforcing fibers are also considered and the most effective ones are chosen.

© Казаков Д. А., Репка В. Д., 2019

56

Выпуск 1(4), 2019

Key words: 3d-printer, dispersion reinforced concrete, problems of 3d technology, reinforcement.

Мы живём в век перемен, и даже такая монументальная и консервативная тема, как строительство, набирает обороты по введению новых технологий. Одной новой темой для этой отрасли стала аддитивная технология, которая обещает множество преимуществ над традиционной технологией возведения зданий и сооружений. Если говорить более конкретно, то это связано с сокращением таких работ, как опалубочные работы и армирование. Кроме того, появляется возможность работать в три смены без перерывов. Стало быть, при возведении такие параметры, как трудозатраты и время строительства, будут пересмотрены исходя из отсутствия необходимости проведения этих работ. Это возможно при использовании аддитивных технологий по оптимальному пути, который предусматривает рациональное решение возникающих проблем. В данный момент технология переживает сложности в плане автоматизированного армирования возводимых конструкций.

По задумке, преимущества аддитивной технологии рассматриваться не будут. Это связано с широким изучением данной темы и получением средних и подобных результатов. Для использования плюсов технологии 3D-печати необходимо решить ряд проблем. Именно на этом мы остановимся и попробуем разобраться в этом.

Было выделено несколько проблем, которые можно назвать определяющими:

1)Проблема технического несовершенства строительного 3D-принтера как инженерного механизма. Это связано с большим количеством типов конструкций со своими плюсами и минусами. Так как одни принтеры печатают внутри собственного контура (мостовые, канатные конструкции), а другие принципиально вокруг себя (башенно-стреловая, манипуляторная), сложно объективно оценить преимущества каждой конструкции ввиду возможности уникального применения каждой из конструктивных схем.

2)Проблема точно подобранных составов строительной смеси. Данная проблема является очень важной, поскольку без специальных составов 3D-принтер в принципе не способен производить готовую качественную конструкцию в установленные сжатые сроки. Более того, именно в вопросах строительных смесей есть возможность решить проблему армирования, поскольку эта тема является крайне актуальной при дальнейшем широком использовании 3D принтеров на стройплощадках.

3)Переосмысление архитектурных форм. Поскольку аддитивная технология пошла по пути экструдирования и наложения строительной смеси слой за слоем снизу вверх, то создаются сложности при устройстве конструкций, отличных от вертикальных прямых или вертикальных кривых плоскостей первого порядка (а сама по себе технология способна создавать любые поверхности, что было доказано в 2012 году в Южно–Калифорнийском университете). Одним из примеров построек нового образца могут послужить куполообразные дома, где свод заменит привычную плоскую крышу.

4)Область применения. Важная тема, которая должна быть рассмотрена отдельно. Именно результаты рассмотрения этого вопроса позволят сделать вывод, выживет ли эта технология в данных условиях. Это связано с достаточно серьёзной спецификой 3D-принтеров, несмотря на то, что зримые успехи уже есть. Наряду с серьёзной производительностью остается узкая направленность принтеров, и широкое применение во всех отраслях строительства становится затруднительно. Именно поэтому рассмотрение этой темы считаю особо острой проблемой на сегодняшний момент [1].

Наиболее острыми были поставлены проблемы армирования, потому что это серьёзный барьер для технологии. Поскольку при вычислениях трудозатрат и времени строительства опалубочные работы занимают достаточно большой процент от общего числа, имеются перспективы в решении этого вопроса. Так как сама по себе аддитивная технология имеет преимущество из-за отсутствия необходимости проведения опалубочных работ, то при решении проблемы армирования будет ощутимо увеличена производительность 3D-принтера и

57

Выпуск 1(4), 2019

сокращены трудозатраты и время строительства, что сделает технологию более конкурентоспособной в своей экономической нише. Поскольку жизнеспособность данной технологии пока что является дискуссионным вопросом, работы по решению проблем и улучшению уже существующих методик - это важный вопрос, требующий детального рассмотрения.

В аддитивной технологии есть сложившиеся методики по армированию.

1)Укладка армирующих стержней между определённым количеством слоёв для связи - является самым явным подобием традиционного метода армирования. Метод отработан, имеет нормативную базу для расчётов параметров, эффективен. Большие трудозатраты на установку и выверку в проектное положение делают процесс возведения конструкций более трудоемким и долгим. Более того, ещё не придуман автоматический машинный способ укладки армирующих элементов для использования этого метода в технологии 3D-печати без привлечения ручного труда. Применяются как стержни из металлической арматуры, так и из полимерной (стекловолоконной) [2].

2)Установка армирующей сетки. Известно, что было уже успешно применено такое армирование китайской компанией WinSun в 2012 году. Рулон сетки, сплетённой из мягких стекловолоконных нитей под углом 90 градусов, в соответствии с рис. 1, или металлическая сетка подобной конфигурации расстилается между слоями при печати и создает армирующий слой. Минус данного способа – это возможность армирования только в горизонтальном направлении, то есть между слоями, а также при применении металлических сеток появляется высокая вероятность коррозии арматуры из-за атмосферных воздействий. Имеется и плюс, в сравнении с укладкой армирующих стержней, ввиду меньшей трудоёмкости

ибыстрой во времени установки армирующих элементов в проектное положение [2].

Рис. 1. Армирование при помощи сетки из стекловолокна

3) Дисперсно-армированный бетон. С 1909 года известен первый патент на изобретение этого материала. По данным исследований, этот материал способен воспринимать растягивающие усилия хоть и не как традиционно армированный, но повышение прочности на изгиб и трещиностойкости происходит настолько, что этого может оказаться достаточно для применения в 3D-принтерах [2].

58

Выпуск 1(4), 2019

Фибробетон обладает многими положительными качествами, которыми его наделяет заполнитель. В качестве заполнителя в бетон вводятся волокна, состоящие из разных материалов, в соответствии с рис. 2. Все они хорошо воспринимают растягивающие напряжения, что сказывается на свойствах получаемых бетонов – они лучше сопротивляются изгибающим и растягивающим напряжениям.

Рис. 2. Разрушенный фибробетон после испытаний на изгиб

Основными рациональными материалами для производства фиброволокон можно назвать такие как:

1)Металлическая проволока. Ее применение обусловлено высокой эффективностью металла при восприятии растягивающих напряжений. Но откровенный минус – это коррозия и разрушение фибры от атмосферных воздействий и, как следствие, быстрый выход из строя бетона.

2)Полипропиленовая фибра. Отлично подходит для компенсации усадочных трещин

иустройства стяжек, поскольку увеличивается стойкость к растрескиванию при усадке бетона. Не походит для более серьёзного армирования, поскольку модуль упругости бетона и фибры таков, что бетон начинает трескаться раньше, чем фибра переходит в стадию текучести.

3)Углеродное волокно. Интересное решение в применении углеродного волокна в качестве рабочей арматуры было рассмотрено и имело место ввиду высочайшей прочности углеволокна, но совершенно неоправданно из-за высокой стоимости. Поэтому применение такой дорогой технологии в качестве дисперсного армирования ставится под вопрос.

4)Стекловолокно. Отлично зарекомендовало себя ввиду отличной прочности на растяжение (около 3500 МПа). Отлично подходит в качестве основного армирующего волокна для применения в 3D-принтере, но нюансы бетонной смеси, имеющей щелочную среду, делают невозможным применение обычного борсиликатного стекла в качестве сырья для производства. Приходится использовать щелочестойкое сырьё на основе стекла из циркония. Всё это делает технологию возможной, но весьма дорогой.

5)Базальтовое волокно. Производится на основе базальта. Имеет сравнимую со стекловолокном прочность на растяжение (около 3500 МПа), но при этом куда более дешевая и не имеет химической реакции с щелочной матрицей бетона. Более того, высокая стойкость

59