Потенциал предварительного напряжения стали в 3D-печатных бетонных конструкциях

Введение

Добавочное производство в строительстве продвинулось от небольших прототипов до структурных компонентов, которые в настоящее время проходят полевые испытания. Среди наиболее перспективных разработок - синергия между 3D-печатным бетоном и предварительно напряженной сталью. В то время как 3D-печать предлагает непревзойденную геометрическую свободу и снижение затрат на опалубку, один бетон не имеет достаточной прочности на растяжение для многих структурных применений. Престрессовая сталь - высокопрочные сухожилия, напряжённые до или после литья, компенсирует эту слабость, вводя сжимающую преднагрузку, которая противодействует растягивающим напряжениям при эксплуатационных нагрузках. Комбинация создает новый класс структурных элементов, которые не только легче и более материалоэффективны, но и способны охватывать большие расстояния и противостоять растрескиванию более эффективно, чем обычный железобетон. В этой статье исследуются технические основы, текущие достижения и будущий потенциал интеграции предварительно напряженной стали в 3D-печатные бетонные конструкции.

Понимание стресса стали

Престрессирование было основой высокоэффективной бетонной конструкции в течение десятилетий, используемой в мостах, гаражах и высотных плитах. Принцип включает в себя применение постоянного сжимающего напряжения к бетону до того, как он испытывает какую-либо значительную внешнюю нагрузку. Это обычно достигается с использованием высокопрочных стальных нитей (прочность удельного веса более 1860 МПа), которые напрягаются и затем крепятся к бетону. Когда бетон отверждается, напряженная сталь передает свою силу окружающему материалу, помещая бетон в состояние сжатия. При последующей нагрузке растяжные напряжения должны сначала преодолеть это предварительное сжатие, прежде чем бетон может треснуть, что приводит к гораздо более высокой эффективной растяжимости.

Есть два основных метода: преднатяжение и постнатяжение. При преднатяжении сухожилия растягиваются до того, как бетон помещается; после бетонного затвердевания выпускают сухожилия, передавая силу через связь. В постнатяжении бетон отливается протоками или рукавами; после того, как бетон отверждается, сухожилия натягиваются и закрепляются, затем протоки протираются для защиты стали от коррозии. Оба метода были исследованы в сочетании с 3D-печатью, каждая из которых представляет уникальные производственные ограничения. Выбор между ними зависит от процесса печати, необходимости развития связи и сложности компоновки сухожилий. Для более глубокого технического обзора см. ресурс Американского бетонного института по предварительно нажатому бетону.

Престресс стальных материалов и свойств

Сталь, используемая для предварительного натяжения, должна обладать высокой прочностью на растяжение, хорошей пластичностью и сопротивлением расслаблению напряжения. Как правило, используются семипроводные нити или высокопрочные бруски. В контексте 3D-печатного бетона взаимодействие между поверхностью стали и печатными слоями имеет решающее значение. Связь между сухожилием и окружающим бетоном - достигается ли она путем адгезии, механической блокировки или затирки - непосредственно влияет на передачу престресса. Недавние исследования исследовали использование прядей с эпоксидным покрытием и ребристых брусков для улучшения связи с печатными интерфейсами, которые часто имеют более высокую пористость, чем литый бетон. Руководство Федерального управления автомобильных дорог по постнатяжению обеспечивает подробные спецификации для материалов сухожилий и требований к долговечности.

Каждый метод представляет компромиссы с точки зрения качества связи, защиты от коррозии и простоты автоматизации. Роботизированные системы, способные размещать и натягивать сухожилия совместно с печатной головкой, находятся в стадии разработки. В Цюрихе ETH 3D-печатный бетонный мост, включающий кабели с натяжением, продемонстрировал осуществимость подхода, достигая пролетов, которые были бы невозможны с неукрепленным печатным бетоном.

Преимущества в глубине

Расширение структурных возможностей

Престрессирование позволяет печатному бетону нести более высокие моменты изгиба и силы сдвига при сохранении тонкого поперечного сечения. Это особенно ценно для напольных плит, мостовых палуб и элементов крыши длительного пролета, изготовленных с помощью аддитивных методов. За счет компенсации растягивающих напряжений, престресс эффективно увеличивает грузоподъемность в два-три раза по сравнению с эквивалентным неусиленным сечением. Результатом является конструкция, которая может достичь прочности гораздо более толстого элемента без соответствующего увеличения веса или расхода материала.

Crack Control и долговечность

В обычном бетоне с 3D-печатью трещина часто возникает из-за усадки, тепловых эффектов или нагрузки. Эти трещины могут поставить под угрозу долговечность, позволяя влаге и хлоридам достигать арматуры. Престрессирование удерживает бетон преимущественно в сжатии при эксплуатационных нагрузках, резко сокращая образование трещин. Это особенно полезно для структур, подверженных воздействию агрессивных сред, таких как морская инфраструктура или очистные сооружения. Уменьшенная ширина трещин также улучшает долгосрочные характеристики любой встроенной стали, поскольку бетонная крышка остается в значительной степени неповрежденной.

Гибкость дизайна

3D-печать превосходит создание сложных, непразматических форм, которые сложно сформировать с использованием традиционной опалубки. Престрессинг может быть адаптирован для отслеживания этих сложных геометрий путем искривления сухожилий вдоль заданного профиля. Постнапряженные сухожилия могут отклоняться вертикально или горизонтально в глубине секции, позволяя оптимально распределять престрессовую силу. Эта синергия позволяет архитекторам и инженерам реализовывать проекты свободной формы - арочные ребра, ветвящиеся колонны, клеточные плиты - без ущерба для структурной целостности. Сочетание печати и престрессинга может открыть новые архитектурные типологии, ранее ограниченные издержками опалубки или ограничениями размещения подкрепления.

Эффективность и устойчивость материалов

Поскольку предварительный натяжной материал обеспечивает более длинные пролеты и более тонкие поперечные сечения, общий объем требуемого бетона может быть уменьшен на 30-50% по сравнению с обычными железобетонными элементами. Это сокращение напрямую переводится в более низкий объем воплощенного углерода, поскольку производство цемента является основным источником выбросов CO2. Кроме того, устранение обычной стальной арматуры, часто устанавливаемой вручную, снижает необходимый тоннаж стали. Однако, при рассмотрении полного жизненного цикла, общая экономия углерода может быть значительной, особенно если бетонная смесь оптимизирована для печати (например, использование шлака или золы для связывания). Журнал более чистого производства исследования по 3D-печатной бетонной устойчивости обеспечивает количественное сравнение различных стратегий армирования.

Проблемы и технические трудности

Несмотря на обещание, необходимо преодолеть несколько практических препятствий, прежде чем предварительно напряжённый 3D-печатный бетон станет рутиной.

Связь между стальным и печатным бетоном

Интерфейс между престрессовым сухожилием и печатными слоями часто менее однороден, чем в литом бетоне. Воздушные пустоты, сушка поверхности и слои могут снизить прочность связи. В предварительно натянутых элементах адекватная разработка связи необходима для передачи силы престресса на короткой длине. Исследования изучают поверхностные обработки, такие как пескоструйная обработка или нанесение связного покрытия, и оптимизируют параметры печати (скорость сопла, расстояние отстоя) для уплотнения материала вокруг сухожилия.

Совместимость материалов

Печатные бетонные смеси обычно более сухие и жесткие, чем литый бетон, чтобы обеспечить удержание формы после экструзии. Это низкое отношение воды к цементу уменьшает аутогенную усадку, но также может привести к быстрому уплотнению, затрудняя полное встраивание сухожилия. Поведение ползучести и усадки печатного материала также отличается от поведения обычного бетона. Поскольку потери предварительного напряжения (из-за ползучести, усадки и расслабления) могут быть значительными, точный прогноз требует тестирования конкретной печатной смеси. Калибровка долгосрочных потерь предварительного напряжения является активной областью исследования.

Анкоридж и зоны прекращения

При постнатяжении зоны крепления испытывают высокие локальные напряжения. Печатный бетон может не иметь такой же прочности или однородности, как литый бетон, чтобы противостоять этим концентрированным силам, что приводит к расщеплению или расщеплению. Укрепление зон крепления с дополнительным местным усилением, таким как короткие стальные волокна или головные шпильки, является потенциальным решением. Конструкция несущих пластин и карманов должна быть согласована с процессом печати, чтобы избежать разрывов в слоях.

Защита от коррозии

Престрессовая сталь подвержена растрескиванию при коррозии и хрупкости водорода, особенно при воздействии хлоридов. В печатных элементах, где толщина крышки может варьироваться из-за смещения слоев, обеспечение равномерного защитного слоя является сложной задачей. Полная затирка протоков с натяжением имеет важное значение, но затирка в серию печатных полостей может быть более сложной, чем в гладкий проток. Тендоны с эпоксидным покрытием и оцинкованные протоки оцениваются в качестве альтернативы.

Ограничения процесса печати

Интеграция расположения сухожилий или образования протоков в путь печати добавляет сложности роботизированному программированию. Головка печати должна либо приостановиться, чтобы разрешить вставку сухожилий, либо быть оснащена вторичным инструментом для укладки стали. Сопла столкновения с размещенными сухожилиями следует избегать. Для изогнутых сухожилий сопло может потребоваться следовать той же кривой, что может повлиять на скорость печати и выравнивание слоя. Эти ограничения процесса требуют сложного управления программным обеспечением и надежной аппаратной интеграции.

Текущие исследования и разработки

Многочисленные исследовательские группы по всему миру решают эти проблемы. В Университете Твенте команда разработала метод печати бетона вокруг пассивно расположенных стальных кабелей, а затем напрягает их после отверждения. Их тесты показали, что предварительно напряжённые печатные балки достигли на 60% большей гибкой прочности, чем ненапряженные. В ETH Zurich проект «Мосты — 3D-печать» построил полномасштабный пешеходный мост с использованием печатных сегментов после натяжения, демонстрируя жизнеспособность предварительного натяжения в наружной структуре.