Авторы статьи анализируют перспективы развития 3D-технологий в области малоэтажного строительства и производства современных строительных материалов в России.
УДК 693.5
Л.В. ЗАКРЕВСКАЯ, канд. техн. наук, доцент, профессор; О.Е. ЗАКРЕВСКИЙ, инженер, заведующий лабораториями; П.А. ЛЮБИН, магистрант, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Владимир; И.В. КОЗЛОВ, инженер, г. Красногорск
Ключевые слова: 3D-технологии, цементная смесь, микрокремнезем, зола-унос, суперпластификатор, удобоукладываемость
Keywords: 3D technologies, cement mixture, microsilica, fly ash, superplasticizer, workability
Сегодня автоматизированные и роботизированные технологии используются для производства большого разнообразия продуктов, начиная с потребительских товаров и заканчивая компонентами электронных устройств и автомобильными деталями. Печать 3D является одной из новейших технологий, которая получила большую популярность в последние годы. Строительство является одним из крупнейших промышленных секторов, который еще не реализовал роботизированные технологии и продолжает использовать в основном человеческий труд. Применение 3D-технологий в строительстве будет в состоянии произвести революцию в отрасли и решить несколько важных вопросов, таких как высокие затраты на строительство, несчастные случаи на производстве, связанные с ручным трудом, длительное время строительства, большое количество строительных отходов и другие. От 3 до 7 тонн отходов образуется в результате возведения типового дома для одной семьи. Особенно эффективно использовать такие 3D-технологии в малоэтажном строительстве.
Согласно данным, предоставленным ООН-Хабитат, число людей, живущих в трущобах, на сегодня составляет более 860 млн человек. Технология 3D строительства домов может обеспечить людей качественным жильем с относительно низкой стоимостью. Более того, каждый из таких домов может иметь уникальный дизайн, который зависит только от 3D-модели. Еще одним важным преимуществом является то, что строительство с помощью 3D-печати считается прогрессивной технологией, поскольку потребляет меньше природных ресурсов и производит значительно меньше выбросов СО2.
Есть несколько проблем, связанных с применением технологии 3D-строительства в условиях низких температур. Прежде всего необходим соответствующий климату фундамент из-за промерзания почвы и возможности морозного пучения. Другой вопрос – эффективная теплоизоляция стен. Крыши также должны быть спроектированы и изготовлены с учетом максимально возможной снеговой нагрузки. Целью данного исследования является анализ нынешних 3D-технологий печати и изучение возможности их применения в наших климатических условиях.
По технологии 3D материал осаждается слой за слоем. Осаждаемый материал должен держать форму до отверждения. Подготовка смеси осуществляется непосредственно на строительной площадке. Такие технологии требуют применения специального оборудования и специфического компьютерного программного обеспечения.
Всего несколько лет назад 3D-печать использовалась только дизайнерами и архитекторами для моделирования при создании новых конструкций. Тем не менее на сегодняшний день существует много компаний на рынке, которые предлагают 3D-принтеры для строительства домов. Например, китайская компания Shanghai, используя оборудование на основе разработок Winsun, сообщила, что ею напечатано десять домов за один день в 2014 году. В 2015 году эта же компания завершила строительство шестиэтажного здания площадью 1100 м2.
Следует отметить, что существуют не только небольшие проекты, которые возводятся с помощью таких технологий. В прошлом году шейх Мохаммед бин Рашид аль-Мактум, правитель Дубая, запустил 3D-стратегию печати Дубая. Лидер ОАЭ планирует сделать свою страну глобальным центром технологий 3D-строительства к 2030 году. Королевство Саудовская Аравия также планирует стать мировым лидером 3D-печати. Министерство жилищного строительства монархии предложило напечатать более 1,5 миллиона домов в течение ближайших 5 лет с использованием технологии 3D-строительства Winsun.
Появились компании, которые предлагают 3D строительное оборудование и технологии для применения в странах с холодным климатом. Например, российская компания Apis Cor. В 2016 году еще одна отечественная компания напечатала 3D-копию замка из «Игры престолов».
Процесс печати дома не является полностью автономным и может меняться в зависимости от используемого 3D-принтера и программного обеспечения. Независимо от того, какая технология используется, 3D-принтер должен быть установлен вручную и обслуживаться малочисленным контролирующим персоналом. Процесс такой печати дома состоит из нескольких основных технологических этапов:
• необходимо обеспечить пространство, необходимое для принтера. Каждый принтер имеет свои собственные требования;
• произвести земляные работы для фундамента с использованием традиционных методов;
• установить 3D-принтер на подкрановых путях и подключить его к источнику питания.
• подключить принтер к источнику подачи бетона. Материал может быть получен либо из автобетоносмесителя, либо с мобильного автоматизированного бетонного узла, расположенного непосредственно на строительной площадке;
• запустить процесс печати – управляемое компьютером автоматизированное производство (CAM систему) на основе данной 3D-модели;
• при возведении стен и перегородок в случае необходимости осуществлять армирование перед очередным циклом печати;
• смонтировать плиты перекрытия (покрытия);
• смонтировать кровлю;
• разобрать 3D-принтер. 3D-принтер и мобильный автоматизированный узел смешивания и подачи бетона должны быть очищены.
Ниже приводятся краткие характеристики основных существующих на сегодняшний день технологий трехмерной печати домов.
Контур Крафт (CC) является одной из самых старых действующих технологий печати. CC – это технология печати принтером, по форме похожим на козловой кран. Она разработана в Университете Южной Калифорнии известным ученым, доктором Behrokh Khoshnevis еще в 1998 году. Эта технология основана на процессе печати, аналогичной той, которая используется для печати небольших 3D-объектов и масштабируется до размера реального здания. Большой принтер печатает слой за слоем в соответствии с моделью. Используется высокоэффективная композитная смесь из бетона, фибры и микродобавок. Технология CC предусматривает автоматическое армирование, покраску, плиточные и другие работы. Основным недостатком этой машины является ограничение печати ее собственным размером.
Энрико Дини предложил технологию заполнения пустот в шаблоне песком (D-шаблон). Эта технология предполагает следующее: сначала вся площадь печатаемого объекта заполняется песком, затем в зоны, которые должны обрести прочность, чтобы стать конструкциями, точечно вводится оксид магния с морской водой. В результате получается объемная конструкция. Затем, не дожидаясь полного набора прочности материалом, насыпается новый слой песка – 5-10 мм, и процесс повторяется. После печати объекта необходимо просто убрать песок из будущих помещений. Печатная головка состоит из 300 сопел, которые установлены на портальной раме из алюминия. Это устройство перемещается по области строительства и помещает связующее в нужные места. D-шаблонный технологический подход может быть использован для печати как строительных блоков, так и зданий. По словам Энрико Дини, эта технология применима в самых различных крупномасштабных проектах, начиная от конструкций в глубоководной морской среде до освоения космоса. Европейское космическое агентство является одним из источников финансирования проекта Lunar Outpost, разработанного Дини.
Бетонирование (CP) представляет собой процесс, основанный на экструзии, разработанный Департаментом гражданской и строительной техники в Университете Лафборо. Данная технология аналогична технологии CC, но разрешение осаждения печатного материала меньше. Это позволяет получить большую трехмерную свободу, что приводит к более эффективному управлению внешней и внутренней геометрией. Поскольку толщина слоя в значительной степени влияет на полученный результат, один из побочных эффектов продуктов СР – ребристая поверхность.
Delta Bot – это робот, который имеет три руки, удерживаемые тремя стойками или башнями. Эта технология имеет ряд преимуществ, таких как: полностью открытое пространство сборки, что позволяет принтеру не мешать другим работам, производимым на строительной площадке; принтер способен делать круговые движения; принтер может быть применен к крупномасштабным проектам строительства с минимальной степенью модификации. В 2015 году 3D-принтер модели Delta Bot высотой 12 метров был представлен в Италии. Было объявлено о том, что этот огромный принтер под названием Big Delta может построить дом в течение одного дня с использованием в качестве материала смеси на основе глины, соломы и воды.
Apis Cor 3D-принтер был разработан российской компанией Apis Соr, которая была основана инженером Никитой Чен-юн-тай в 2014 году. Вес принтера 2 тонны, может вращаться на 360 градусов, а его телескопическая стрела может выдвигаться до 8,5 м в длину. Apis Соr является первой компанией, которая смогла изобрести мобильный 3D-принтер, способный работать «внутри дома». Максимальная высота стены достигает 3,3 м, а максимальная площадь, обслуживаемая принтером, составляет 132 м2. Производительность данного аппарата – 100 м2 в день, и, по мнению инженеров компании, принтер в состоянии построить здание в течение одного дня. Для управления 3D-принтером требуются всего два инженера. В связи с тем что принтер Apis Cor имеет относительно небольшие размеры и легок в транспортировке, все подготовительные работы занимают не более 30 минут. Потребление энергии является довольно низким, до 8 кВт/час. Автоматизированная система смешивания и подачи печатной смеси обеспечивает расчетную стабильность в водоцементном соотношении и гарантирует материал высокого качества.
Есть и много других технологий 3D-строительства. Некоторые из них все еще находятся в стадии разработки, в то время как другие уже широко используются в коммерческих целях. Некоторые из таких технологий следует отметить. Прежде всего была упомянута выше технология 3D-печати, разработанная китайской компанией Winsun. Принтеры размерами 150 (Д) х 10 (Ш) х 6,6 (В) м могут быть использованы для печати достаточно больших компонентов масштабного строительства на высокой скорости. Технология Winsun аналогична CC-технологии. Материал, используемый в печати, представляет собой смесь из стекловолокна, цемента, стали и затвердителя. Кроме того, можно отметить технологию KamerMaker от компании DUS Architects, технологии TotalKustom американского инженера Андрея Руденко, CC-подобные технологии, используемые CyBe Additive Industries (Нидерланды), технологию BetAbram (Словения), технологию опосредованной материи (США), технологию Specavia (Россия).
Помимо конструкции 3D-принтера, имеет решающее значение состав цементной смеси. При разработке печатного материала должны быть приняты во внимание различные требования, такие как подвижность, пластичность, удобоукладываемость. Цементная смесь должна:
• быть достаточно текучей, чтобы быть осажденной на поверхность;
• обеспечить высокую адгезию между слоями;
• быть достаточно жесткой для того, чтобы сохранить свою форму в отсутствие пресс-формы;
• иметь относительно короткое время схватывания и значительную начальную прочность.
Большинство смесей, используемых в 3D-печати в качестве вяжущего материала, используют портландцемент (например, CEM I 52,5 или CEM II 42,5). В дополнение к основному компоненту также может быть использована в смеси и зола-унос. Могут быть использованы различные добавки, такие как суперпластификаторы и замедлители твердения. В качестве заполнителя используется песок. Группа во главе с Khoshnevis разработала бетонную смесь для CC-технологии печати: CEM II портландцемент (37%), песок (41%), пластификатор (3%) и вода (19%). Пластификатор добавляется для улучшения удобоукладываемости. Для того чтобы уменьшить диаметр сопла, используется песок с небольшим размером частиц. Водоцементное отношение составляет 0,5, средняя величина предела прочности при сжатии – 18,9 МПа [3]. Для повышения прочности печатного материала часто используют фибру из полипропилена или стекловолокна.
Бетон для печати высокой производительности, который может быть использован для CP, был разработан в Университете Лафборо. Армированная смесь содержит суперпластификатор и замедлитель, которые увеличивают прочность и обрабатываемость материала. Максимальный размер частиц песка – 2 мм из-за высокого разрешения печати. Вяжущий компонент образован цементом CEM I 52,5, микрокремнеземом и золой-уносом.
Более плотный печатный материал, который может быть использован в масштабных проектах 3D-печати, был предложен исследовательской группой из Университета Суррей, Великобритания. Вяжущее вещество состоит из 70% портландцемента I 52,5, 20% золы-уноса и 10% микрокремнезема. Количество микрополипропиленового волокна 12/0,18 мм (длина/диаметр) – 1,2 кг/м3. Печатный материал также содержит 1% суперпластификатора на основе поликарбоксилата и 0,5% замедлителя, который состоит из модифицированной лимонной кислоты и формальдегида.
Можно использовать и другие вяжущие вещества, кроме портландцемента. Пример – проект Big Delta, который использует глину. Есть еще вышеупомянутый опыт Энрико Дини по созданию 3D-принтера, который использует печатный материал, состоящий из песка, воды и оксида магния.
Во Владимирском государственном университете ведутся разработки грунтобетона, который можно будет применять в качестве материала для печати. В состав смеси входит глинистый грунт (глина, супесь или суглинок), магнезиальное вяжущее (полуобожженные отходы доломита), в качестве затворителя используется раствор либо хлорида, либо сульфата магния заданной плотности. Для повышения водостойкости композита используется дигидрофосфат калия. Стоимость грунтобетона в 5-10 раз ниже стоимости бетона, применяемого в технологии трехмерной печати, при равных прочностных характеристиках [1-2].
Процесс Apis Cor использует двухслойную конструкцию 3D печатных стен. Наружный слой заполняется теплоизолирующей пеной. На рисунке представлена конструкция наружной стены, которая используется компанией Apis Cor для 3D-печати дома в холодных климатических условиях.
Такая стена имеет сопротивление теплопередаче 3,38 м2∙°С/Вт. Это позволяет поддерживать температуру в помещении, по крайней мере, 21°С, если температура наружного воздуха -30°С или даже ниже.
3D-технологии печати домов, несомненно, окажут огромное влияние на развитие строительной отрасли. Следует отметить некоторые преимущества печати: не требуются технологически сложные работы по укладке бетонной смеси, установка и демонтаж опалубки; легко создаются сложные геометрические формы; цементные конструкции производятся в короткие сроки.
3D-печать малоэтажных зданий может быть сделана быстрее и дешевле, чем обычное строительство. Эти технологии позволяют создавать односемейные дома в течение одного дня. Значительный экономический эффект от 3D-печати домов связан с меньшим количеством труда, необходимого для строительства. Экономический эффект варьируется в зависимости от технологии и используемого принтера, но снижение затрат может доходить до 50%. Рабочие на строительной площадке заменены роботизированной системой – принтер создает здание в соответствии с той или иной заданной программой.
Архитекторам и дизайнерам 3D-печать позволяет осуществлять более смелые проекты. Кроме того, такой подход является гораздо более экологичным: нужно меньше сырья, малая энергоемкость оборудования, количество образующихся отходов и выбросов близко к нулю.
Существующие различные технологии 3D-печати домов, доступные на мировом рынке, отличаются технологическим подходом, типом принтера и его характеристиками. Большинство 3D-принтеров – портального типа. Выбор оборудования влияет на капитальные затраты. Большинство печатных материалов, используемых в печати, состоит из вяжущего (на основе портландцемента), песка (с максимальным размером частиц 2 мм), суперпластификатора, замедлителя схватывания и воды.
Для того чтобы 3D-технологии печати домов успешно развивались в регионах с холодным климатом, должны быть сделаны некоторые необходимые приспособления (например, легковозводимые купольные оболочки для защиты печатаемой конструкции от мороза и атмосферных осадков). Кроме того, следует учитывать такие важные факторы, как более высокие нагрузки на стены и покрытия от снега и повышенные требования по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций. Есть некоторые 3D-технологии печати, доступные на рынке, которые уже адаптированы для холодных климатических условий.
Библиографический список
1. Рамазанов А.А. Грунтобетон в закладке фундамента // Строительство уникальных зданий и сооружений, №3(30) 2015.
2. Токин А.Н., Семкин В.В., Шапошников А.В. Фундаменты из закрепленных грунтов // Промышленное и гражданское строительство, №3, 2005.
3. Khoshnevis B., Hwang D., Yao K-T., and Yeh Z. Mega-scale fabrication by contour crafting // Int. J. Industrial and Systems Engineering, vol. 1, №3, 2006.
