کاربرد پرینترهای سه بعدی در مهندسی عمران و صنعت ساخت و ساز امروزه پیشرفت چشمگیری داشته است که یکی از به روزترین آنها تولید بتن مسلح است.
در این مقاله قصد داریم به معرفی 3 روش بدیع تسلیح بتن چاپ شده با پرینتر های سه بعدی بپردازیم و مزیت ها و محدودیت های پرینت سه بعدی بتن مسلح را در هر روش بررسی و با یکدیگر مقایسه کنیم. پیشنهاد می‌کنیم با مقاله “خیز محققان برای چاپ بتن مسلح” همراه تیم ژئومارس باشید.
پرینت سه بعدی بتن مسلح
در مقاله‌های قبلی خواندیم که کاربرد چاپ سه بعدی بتن در مهندسی عمران قدمت چندانی ندارد و از ظهور پدیده چاپ سه بعدی تا کنون، با سرعتی کم ولی شتابی زیاد در حال رشد و توسعه است. این شتاب زیاد تحقیق و توسعه، حاصل اثرات و نتایج خوب این تکنیک در صنعت ساخت است که علاقه‌مندی محققین سرتاسر دنیا را برای پژوهش روی این موضوع جذب کرده و پیوسته در حال رفع چالش‌ها و محدودیت‌های چاپ سه بعدی بتن هستند.
یکی از پرچالش‌ترین محدودیت‌هایی که سازه‌های بتنی چاپ شده با آن درگیر هستند، بحث تسلیح یا تقویت این سازه‌هاست که ظاهرا امکان ساخت سازه‌های بلندتر از یک یا نهایتا دو طبقه وجود ندارد چون همانطور که می‌دانید ضعف بتن در تحمل کشش، استفاده از مسلح کننده‌ها را الزامی می‌کند که متداول‌ترین آنها مقاطع مرکب بتن آرمه است.
برای رفع این چالش 3 رویکرد وجود دارد که تفاوتشان در ترتیب و توالی دو عملیات چاپ و تسلیح است:
- تسلیح بعد از چاپ
- تسلیح قبل از چاپ
- تسلیح همزمان با چاپ
از آنجاییکه رسالت تکنیک چاپ 3 بعدی “حداکثر بهره وری در حداقل زمان “ است، محققین اشتیاق بیشتری به رویکرد سوم نشان دادند و تحقیقات خود را به این سمت میل دادند. در این مقاله قصد داریم 3 مورد از روش‌هایی که تا کنون برای چاپ بتن مسلح (چاپ و تسلیح به صورت همزمان) ارائه شده‌اند را بررسی کنیم:
تسلیح بتن قابل چاپ با کمک فرایند جوشکاری
برای پرینت سه بعدی بتن مسلح در این روش از یک پرینتر با هد مرکب استفاده می‌شود. به این صورت که دارای یک نازل جهت رسوب بتن و یک واحد جوشکاری در قسمت جلوی نازل است. فرایند چاپ به این صورت است که در هر لایه، ابتدا واحد جوشکاری با جوش دادن میله‌های کوتاه و هم اندازه در امتداد یکدیگر و در هر دو راستا افقی و عمودی و به هر تعداد ردیفی که لازم باشد، یک شبکه آرماتوری ایجاد کرده که بلافاصله بعد از آن نازل بتن را روی آن رسوب می‌دهد و شبکه آرماتوری در بتن دفن می‌شود.
طراحی این هد مرکب به گونه‌ای است که اولا واحد جوشکاری با کمک بازوهایی مکانیکی خود، می‌تواند عملیات قرار دادن میله‌های کوتاه و جوش آنها را در هر راستا موازی صفحه مرکزی دیوار را انجام دهد، ثانیا نازل آن باید به شکل چنگال (شیار دار) باشد تا از شبکه آرماتوری ایجاد شده بدون مزاحمت و درگیری عبور کند و بتن را در اطراف آرماتور رسوب دهد.
از چالش‌های پرینت 3 بعدی بتن مسلح با این روش می‌توان به انرژی زیاد عملیات جوشکاری و طراحی پیچیده هد این چاپگر اشاره کرد.
تسلیح بتن قابل چاپ به وسیله مش های فولادی
برای پرینت سه بعدی بتن مسلح در این روش تقویت لایه‌های بتنی با مش‌های فولادی انجام می‌شود. به این صورت که در فاصله اندکی جلوتر از نازل بتن، قرقره‌ای از این مش قرار گرفته و هنگام حرکت هد پرینتر، ابتدا مش در راستای مورد نظر تعبیه شده و سپس لایه بتن روی آن قرار می‌گیرد.
طراحی هد پرینتر در این روش نسبت به روش قبلی پیچیدگی کمتری دارد و فقط کافیست نازل آن یک شیار (نازل دوقلو) برای عبور بدون درگیری با مش تعبیه شده داشته باشد، اما اهمیت این روش در انتخاب متریال و ابعاد مناسب این شبکه مسلح کننده است به طوری که:
- صلبیت این مش‌ها باید از یک حدی کمتر باشد تا بتواند درون قرقره قرار بگیرد و مانند یک نوار در راستای لایه مورد نظر تعبیه شود (گالوانیزه بطور قابل قبولی این ویژگی را دارد).
- ابعاد دیافراگم‌های این مش نباید آنقدر کوچک باشد که مانع درگیری بتن با شبکه آرماتور شود.
- حداکثر اندازه قطر این شبکه محدودیت دارد تا از حرکت نازل جلوگیری نکند.
- می بایست ارتفاع این مش ها کمی از ارتفاع لایه بتنی بیشتر باشد (1.2 الی 1.7 برابر ارتفاع لایه بتنی) باشد تا با هم پوشانی مش‌های لایه‌های روی هم، تقویت و یکپارچگی دیوار تامین شود.
از محدودیت‌های این روش پرینت بتن مسلح می‌توان به انتخاب محدود متریال مناسب این شبکه مش اشاره کرد که ممکن است دسترسی آسانی نداشته باشد.
تسلیح بتن قابل چاپ با تکنولوژی عالی بتن
پیچیدگی ها در طراحی هد پرینتر های دو روش بالا، پژوهش های محققین را به این سمت میل داد که به جای عملیات تسلیح بتن خام چاپ شده، روی چاپ بتن مسلح کار کنند. در واقع جوهر یا فیلامنت این پرینترها خود خاصیت تسلیح را داشته باشد. برای این مهم، محققین از تکنولوژی عالی بتن کمک گرفتند و با استفاده از افزودنی هایی، خاصیت مقاومت کششی را به بتن اهدا کردند و به پرینت بتن مسلح پرداختند.
مزیت قابل توجه این روش تسلیح آن است که سازه چاپ شده با این متریال کاملا همگن است و دیگر نگرانی‌هایی بابت تعارض و تفاوت خصوصیات بتن و مسلح کننده در مقاطع مرکب و عدم درگیری مطلوب این دو ماده با هم وجود ندارد.
برای جبران ضعف کششی بتن معمولا از الیاف فیبری استفاده می‌شود تا بتن در مقیاس میکرو مسلح شود. به طور متوسط فیبر باید 1 تا 3 درصد حجم بتن را به خود اختصاص دهد. این الیاف‌ها می‌توانند از جنس فولاد، شیشه، پلی پروپیلن و… باشند که بطور یکنواخت در بتن پخش شده‌اند ولی جهت‌گیری تصادفی دارند.
نتایج خوبی که استفاده از الیاف فیبری در بتن قابل چاپ از خود نشان داد شامل انعطاف پذیری بیشتر و کاهش ترک‌های بتن از مقیاس ماکرو در روش‌های تسلیح قبلی به مقیاس میکرو در این روش، پژوهشگران را علاقه مند کرد تا یک گام دیگر جلوتر رفته و از مسلح کننده‌های نانو مقیاس در بتن قابل چاپ استفاده کنند. معروف‌ترین این افزودنی‌ها گرافن اکساید است که شکل صفحه مانند و مقیاس نانو آن سبب می‌شود تا از رشد و گسترش ترک‌ها از همان ابتدا و در دو بعد جلوگیری کند (خاصیت پل زدگی نانو صفحات گرافن اکساید).
از چالش‌های روش سوم تسلیح بتن قابل چاپ هم می‌توان به دیسپرسیون یکنواخت این افزودنی‌ها در بتن و افت کارایی بتن که به دنبال آن پمپ بتن را مشکل می سازد، اشاره کرد.
منابع:
- Soltan, D.G. and V.C. Li, A self-reinforced cementitious composite for building-scale 3D printing. Cement and Concrete Composites, 2018. 90: p. 1-13.
- Mechtcherine, V., et al., 3D-printed steel reinforcement for digital concrete construction–Manufacture, mechanical properties and bond behaviour. Construction and Building Materials, 2018. 179: p. 125-137.
- Marchment, T. and J. Sanjayan, Mesh reinforcing method for 3D Concrete Printing. Automation in Construction, 2020. 109: p. 102992.
- Bos, F., E. Bosco, and T. Salet, Ductility of 3D printed concrete reinforced with short straight steel fibers. Virtual and Physical Prototyping, 2019. 14(2): p. 160-174.
- Classen, M., J. Ungermann, and R. Sharma, Additive manufacturing of reinforced concrete—development of a 3D printing technology for cementitious composites with metallic reinforcement. Applied sciences, 2020. 10(11): p. 3791.