Строительные технологии не стоят на месте. Одна из самых передовых идей последних лет — объемная 3D-печать бетоном. Звучит фантастически, но это уже реальность: принтер, словно огромный торт, послойно выдавливает строительную смесь, позволяя возводить конструкции без традиционной опалубки. Плюсы очевидны: цифровая точность, меньше работы для людей на стройке и значительно более быстрые темпы.

Но у этой красоты есть своя «ахиллесова пята» — поведение бетона во время печати. Смесь должна быть одновременно достаточно текучей, чтобы выйти из сопла принтера (это называется экструзией), и моментально „схватываться“, чтобы следующий слой не продавил предыдущий. Специалисты называют это способностью к тиксотропному структурообразованию.

Раньше ученые строили модели, которые не всегда точно предсказывали, как поведет себя материал. Они либо упускали из виду сложные внутренние процессы — как частицы слипаются в комочки (флокуляция) или, наоборот, распадаются под давлением (дефлокуляция), либо не до конца учитывали химические реакции с водой (гидратацию). Без надежной теоретической базы трудно было подобрать идеальный состав смеси для печати, и это сдерживало развитие технологии.

Эту задачу взялись решить исследователи из двух уважаемых центров: индийской лаборатории передовых материалов при CSIR-Structural Engineering Research Centre и городского университета Гонконга (City University of Hong Kong). Вместе они разработали новую модель структурообразования бетона для 3D-печати, опираясь на теорию кинетики — науку о скорости протекания процессов.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Structural and Civil Engineering.

В чем суть подхода? Ученые создали математическую модель, которая смотрит на бетон как на живую, постоянно меняющуюся систему. В ней есть два типа процессов:

• Обратимые: когда частицы то слипаются (структура нарастает в покое), то разъединяются от движения и давления (структура разрушается при прокачке).
• Необратимые: когда начинается химическая реакция твердения — гидратация цемента, которая навсегда меняет материал.

Введя специальные параметры для описания этих процессов, ученые смогли построить единое уравнение, которое предсказывает так называемый предел текучести (напряжение сдвига, при котором материал начинает течь) в любой момент времени — будь то минута покоя перед печатью, движение по трубопроводу или укладка на основание.

Проверив модель на опытах, авторы убедились в ее точности. Она отлично спрогнозировала, как меняются свойства смеси в зависимости от рецептуры. Например, выяснилось, как добавление фибры (волокон для прочности) влияет на внутреннюю структуру ультра-высокопрочного бетона в динамике. Новая модель позволяет не гадать, а точно рассчитывать состав и режим печати, чтобы стена не поплыла под собственным весом. Это серьезный шаг вперед, который помогает превратить 3D-печать из лабораторного эксперимента в надежную инженерную практику.

Для науки эта работа важна тем, что она объединила разрозненные физические и химические процессы в одну стройную теорию. Раньше исследователи часто рассматривали тиксотропию (восстановление структуры после разрушения) и гидратацию (химическое твердение) как параллельные линии. Здесь же показано, как они пересекаются и влияют друг на друга на уровне кинетики. Это дает научному сообществу инструмент для более глубокого анализа реологии цементных систем.

В реальной жизни польза от такой модели колоссальна.

• Во-первых, это экономия ресурсов. Сейчас подбор состава для 3D-печати часто идет методом проб и ошибок: замесили, напечатали, обрушилось — поменяли пропорции. Модель позволяет заранее, «на кончике пера», рассчитать, сколько цемента, добавок или фибры нужно добавить, чтобы добиться нужной „стройности“ материала.
• Во-вторых, это безопасность и надежность. Точное прогнозирование того, как поведет себя свежеотпечатанная конструкция, пока нижние слои еще не затвердели, предотвращает аварии на стройплощадке.
• В-третьих, это ускорение внедрения технологии в массовое строительство. Чем точнее мы понимаем материал, тем быстрее архитекторы и инженеры начнут доверять 3D-печати для возведения не просто декоративных форм, а ответственных несущих конструкций.

Стоит отметить, что модель опирается на предположение об однородности материала на макроуровне. В реальности бетонная смесь — это гетерогенная система с крупным заполнителем (песок, щебень). В то время как модель фокусируется на кинетике структурообразования цементного теста и фибры, она может недооценивать влияние гранулометрического состава заполнителя и эффектов сегрегации (расслоения) при движении через сопло принтера. Взаимодействие крупных частиц между собой в условиях высокого давления экструзии может вносить нелинейные поправки в параметры дефлокуляции, которые модель, вероятно, учитывает агрегированно. Для верификации модели в условиях, приближенных к промышленным, потребуются дополнительные исследования, учитывающие фракционный состав заполнителя и геометрию печатающего узла, что выходит за рамки представленной кинетической теории.

Ранее российские ученые создали бетон нового поколения.