э л е к т р о н н а я в е р с и я ж у р н а л а
э л е к т р о н н а я в е р с и я ж у р н а л а
В современном архитектурном дизайне часто отмечается необходимость производства сложных и уникальных по форме элементов из бетона. Существующие методы производства опалубки сложной геометрии, такие как ЧПУ-фрезеровка пенополистирольных форм, обычно приводят к большому количеству неэкологичных отходов. Использование льда в качестве материала опалубки позволяет решить проблему отходов, так же как и сократить необходимость ручного труда в процессе подготовки и распалубки формы. Применимость концепции ледяной опалубки (Ice Formwork) была подтверждена лабораторными испытаниями, в ходе которых были получены положительные показатели холодной гидратации цемента и полного набора прочности бетона, так же как и высокое качество поверхности бетона, отлитого в ледяных формах.
Возникший в процессе развития автомобильной промышленности принцип бережливого производства (lean production) изначально относился лишь к управлению и тщательной организации работы производственных предприятий. По мере включения все более обширного списка параметров в оценку «бережливости» это понятие приобрело собирательное значение и теперь включает в себя все возможные представления об эффективной, экологичной и экономичной организации технологических процессов. Желаемая слаженность производства достигается путем эффективного использования и переработки материалов, задействованных в нем, и высокой степенью автоматизации различных процессов с широким привлечением ЧПУ оборудования и робототехники. Однако соблюдение данных принципов в строительной отрасли чаще всего является вовсе не тривиальной задачей. К примеру, изготовление нестандартных элементов из бетона сложной геометрии по принципу бережливого производства является практически невыполнимым. Тем не менее, в условиях развития цифровых инструментов архитектурного и инженерного дизайна, производство нестандартных элементов конструкций и отделки зданий становится все более востребованным. Чаще всего подобные проекты выполняются при помощи пенополистирольной опалубки. Для придания сложной и точной формы, пенополистирольные блоки подвергают ЧПУ фрезеровке с дальнейшим нанесением на лицевую сторону формы защитного слоя эпоксидной смолы, создающего прочную формовочную поверхность. Учитывая, что подобные формы чаще всего не предназначены для серийного производства, эксплуатация данного процесса приводит к большому объему неперерабатываемых отходов. Помимо экологических нарушений, ухудшаются и экономические показатели производства, большую долю в которых занимают расходы на закупку и транспортировку крупных объемов опалубочного материала.
Для того чтобы предложить более разумное решение обозначенной выше задачи, в настоящее время проводится большое количество исследований. Они нацелены на разработку альтернативных способов цифрового производства, применимых к бетонной промышленности. Наиболее обсуждаемой альтернативой пенополистирольной опалубке сегодня является 3D-печать бетонных изделий. Чаще всего данная концепция отождествляется со всеми цифровыми методами изготовления бетонных изделий. Широкую поддержку данной технологии в профессиональных сферах обеспечивают отсутствие необходимости в какой-либо опалубке и достаточно широкий диапазон доступных к производству форм. Однако можно назвать по меньшей мере две фундаментальные проблемы 3D-печати, сильно затрудняющих ее применение в качестве универсального решения. Первая проблема связана с неоднородностью сращивания горизонтальных слоев бетона, укладываемых в процессе 3D-печати. Широко известно, что принципом такого изготовления является постепенное наращивание тонких горизонтальных слоев бетонного изделия. При производстве нерегулярных форм площадь горизонтального сечения и, следовательно, длина пути экструдера может сильно варьироваться. В этой связи время перекрытия одного слоя последующим может сильно меняться, влияя на количество воды, испаряющейся с поверхностного слоя бетона. Даже незначительная разница в содержании воды между свежим и предыдущим слоем способна серьезно снизить прочность межслойного сращивания.
Вторая серьезная проблема 3D-печати связана с армированием. Безусловно, сложная геометрическая форма изделий сама по себе создает большие трудности в расчете и монтаже традиционной стальной сетки армирования. Однако, если при полистирольном методе формования армирование остается технически осуществимым, то при 3D-печати отсутствует какая-либо практическая возможность использования армирующей конструкции. Более того, метод наращивания горизонтальных слоев сильно понижает эффективность работы армирующей фибры, так как волокна в подобном материале не пересекают поверхность сращивания в достаточной степени, чтобы надежно связывать один слой с другим. Таким образом, переход от литьевого формования к 3D-печати несет в себе фундаментальные изменения природы бетонного массива. Эти изменения требуют разработки специальных научных методов и программного обеспечения на базе сложных цифровых симуляций.
Таким образом, есть серьезные основания сомневаться в том, что 3D-печать, в силу своих принципиальных качеств, в конечном итоге приобретет статус универсального метода производства несерийных бетонных элементов. В этой связи проводится немалое количество исследований по разработке иных способов цифрового производства литьевого бетона, по мере своей эффективности составляющих конкуренцию аддитивным методам производства.
Благодаря доступности и высокой степени разработки фрезеровочных трех-координатных ЧПУ систем, обработка резанием является наиболее распространенным методом производства крупномасштабных элементов из нетвердых материалов (дерево, пластик). Применительно к теме производства бетонных изделий можно утверждать, что главным недостатком этого процесса являются неизбежные потери материала опалубки в форме снимаемой стружки. В этой связи многими исследовательскими группами ведется активный поиск недорогого и экологичного материала, поддающегося переработке непосредственно на месте производства.
Авторами данной статьи изучается возможность использования нового типа опалубки для формования несерийных бетонных элементов, изготовляемых изо льда путем ЧПУ фрезеровки. Применение ледяной опалубки (Ice Formwork) позволяет производить сложные геометрические элементы из высокопрочного бетона, максимально автоматизируя процесс производства формы и распалубки, а также избежать экологических и экономических издержек, связанных с поставками и расходом материала опалубки [1].
Концепция ледяной опалубки получила свое научное обоснование через изучение процесса гидратации цемента высокопрочных бетонов при низких температурных режимах. Разработанный нами состав морозостойкого высокопрочного бетона (HPCfr) способен достигать прочности свыше 120 МПа на 28-е сутки даже при условии формования смеси при отрицательной температуре (-10°C). Столь низкая температура неизбежно замедляет процесс образования новогидратов, однако позволяет развить необходимую распалубочную прочность (свыше 20 МПа) за первые сутки твердения. Учитывая то обстоятельство, что снижение темпов набора прочности на ранних стадиях приводит к совершенно незначительной экзотермии процесса, характеристики HPCfr прекрасно подходят для формования в ледяных формах [2].
Высокое качество бетонных изделий, произведенных по технологии ледяной опалубки, подтверждается коллекцией прототипов среднего масштаба. Пройдя через серию испытаний, высокопрочный фибробетон HPCfr продемонстрировал совместимость с ледяной формовкой на всех стадиях технологического процесса. Множественные тесты показали высокое качество как структуры бетона, так и его поверхностного слоя. Первые образцы, представленные на выставке архитектурных инноваций в Датской Королевской академии искусств, свидетельствуют о высоком качестве передачи геометрии ото льда к бетону. Мельчайшие детали, вырезанные в ледяной форме, размер которых не превосходит доли миллиметра, без искажений переносятся на поверхность бетона HPCfr.
При производстве сложной геометрии большое значение имеет процесс распалубки бетонных изделий. При использовании традиционных методов производства сложная форма влечет за собой интенсивный ручной труд на стадии извлечения бетонного изделия из формы. В технологии ледяной опалубки распалубка осуществляется автономно через естественное таянье льда. Более того, присутствие талой воды позволяет максимально сократить усадочные деформации молодого бетона. Другими словами, вода опалубки обеспечивает превосходный уход за бетоном на ранней стадии набора прочности, продлевая равномерный процесс гидратации по всему объему материала.
Ключевым вопросом текущего исследования являются энергозатраты поддержания минусовой температуры на протяжении всего цикла обработки льда и заливки бетона. На основании первоначальной оценки энергопотребления всего задействованного в процессе оборудования и с учетом всех преимуществ и достоинств этого метода производства, есть все причины полагать, что затраты на электроэнергию в большинстве случаев не превзойдут экономическую выгоду бережливой строительной технологии ледяной опалубки.
Проект является частью исследовательской работы InnoChain Research Training Network, проводимой в рамках европейской программы Horizon 2020, с грантовым соглашением №642877 фонда Марии Склодовской-Кюри.
[1] Sitnikov, Vasily. 2019. “Ice Formwork for High-Performance Concrete: A Model of Lean Production for Prefabricated Concrete Industry.” Structures (In Press).
[2] Sitnikov, Vasily, and Ivan Sitnikov. 2018. “Kinetics of UHPC Strength Gain at Subfreezing Temperatures.” In SP-326 Durability and Sustainability of Concrete Structures. Moscow: American Concrete Institute.
