Не любой песок одинаково полезен или как «напечатать» остановку, чтобы потом возводить дома

В Томске на Соляной площади начали устанавливать первую в России остановку, большая часть элементов которой напечатана на строительном 3D-принтере.

За созданием нового объекта благоустройства стоят не только архитекторы, но и инженеры-аддитивщики ТГАСУ. Они разработали и апробировали новые технологии и методики печати частей будущей остановки.

В 2025 году на Соляной площади демонтировали остановочный павильон. В начале лета у команды Сети живых лабораторий Томска появилась идея — разработать и сделать взамен новый, оригинальную замену привычным конструкциям.

— Мы планировали в этом году провести эксперимент с созданием арт-объекта на улице Партизанской — с применением строительной 3D-печати. Но, когда увидели, что нужна остановка как раз рядом с ТГАСУ, сразу поняли — надо делать свою! В этом году в мае в Братиславе как раз установили классную напечатанную автобусную остановку, это нас вдохновило, — отметила со-руководитель Сети живых лабораторий Томска «Студгородок» Ника Седикова.

Проект предполагал, что павильон будет выполнен в форме изогнутой линии, стены будут демонстрировать характерную текстуру послойного нанесения бетона. Внутри, под крышей, оборудуют места для ожидания транспорта. Размеры павильона — 3,6 на 10,8 м. Элементы основных конструкций из бетона должны быть изготовлены методом 3D-печати в лаборатории научно-образовательного центра «Аддитивное строительство Сибири» в ТГАСУ, который менее года назад открылся в стенах вуза.

В лаборатории аддитивных технологий ТГАСУ отрабатывают методики послойной печати разного рода конструкций. В качестве материалов здесь используются смеси на цементной основе, которые также разрабатывают специалисты вуза. Лаборатория открылась в рамках взаимодействия с промышленным партнером Smart Build Service (г. Москва).

— Как только мы установили оборудование, мы сразу начали разрабатывать собственную смесь в лаборатории университета. Это заняло несколько дней, проводились глубокие изыскания, — отметил специалист строительной 3D-печати, аспирант кафедры Строительных материалов и технологий ТГАСУ Иван Иглевский. — У правильной смеси должна быть непрерывная гранулометрия, не должно быть скачков на графике зернового состава. Также важно учитывать и происхождение песка. Есть тот, что сформировался на дне океана, а другой нанесла нам река. Гранулометрия у них будет один в один: модуль крупности, баланс фракций — всё одинаковое. А смеси ведут себя совершенно по-разному! Одни отдают воду, а другие — нет. Выяснили, что у песков со дна океана, как те, что по дороге в Самуськи, тысячелетиями происходила эрозия поверхности мелкими участками. Из-за этого песчинки под микроскопом грубоватые на вид, не покатая поверхность. А речные пески — более окатанные. Шероховатость обеспечивает накопление воды, которая необходима для того, чтобы протолкнуть смесь по рукаву [при печати]. Содержание этой неотслоившейся, связанной воды очень важно. Мы применили эту теорию, выбрали соответствующие материалы, сформировали свою смесь и только потом приступили к ее тестированию.

В смеси использовали пески с двух карьеров. Её тестировали в предельных режимах, проверяли прочность смеси в нормальных условиях — например, не оплывает ли она до момента отвердения, а также на отрыв. Исследования показали, что конструкции, напечатанные за один раз, можно рассматривать как «монотельные», то есть, как единую деталь. А вот если фрагменты допечатывались с перерывом в два-четыре дня, то они держатся не так крепко и их можно сбить, например, кувалдой.

— Мы разработали рецепт, отдали его промышленному партнеру, он искал поставщика для того, чтобы наладить поставки на Алтай. Договорились с новосибирцами, — отметил Иван Иглевский. — Ребята на Алтае дали свое окончательное заключение. До тех пор мы сидели как на пороховой бочке. Когда они отзвонились и сказали, что по трещиностойкости все нормально, схватывается смесь нормально, прокачивается хорошо и особых нюансов нет, только тогда мы выдохнули.

После одобрения смеси промпартнером, стартовали и работы по возведению остановки.

— Моей задачей было оценить, насколько быстро я смогу делать детали, так как сроки были сильно сжатые — мне дали один месяц, — отметил Иван Иглевский. — На тот момент я еще не печатал конструкции выше 25 слоев — из этого расчета мы и исходили. Я взял лист с проектом, вырезал элементы ножницами, масштабировал поле печати — получилась цифра, сколько потребуется времени. Должен был успеть.

Модели, по которым работал 3D-принтер во время печати остановки, разработал специалист компании-партнера Smart Build Service. Поначалу процесс шел не очень хорошо. Доходило до того, что за восьмичасовую смену удавалось напечатать лишь 10 сантиметров конструкции. Но затем специалисты начали печатать элементы на предельных параметрах.

— В частности, мы постоянно загущали смесь, чтобы избежать оплывания, — рассказал Иван Иглевский. — Но возникла другая проблема — смесь начала пузыриться — не печаталась гладко. Мы медленно печатали, и понимали, что выбьемся из графика при таком темпе. Но внезапно две эти проблемы решились одновременно, когда мы начали просто разгонять принтер. Выяснилась замечательная вещь: при росте скорости печати эффект «пузырения» прекращается. Соответственно, мы делали смесь еще гуще, оплывание снижалось, а качество печати росло, как и скорость. Таким образом, мы подняли уровень печати с 10 слоев до 25. А потом поднимали по 75 слоев за одну смену — восемь часов. Сейчас москвичи поднимают конструкции слойностью 2 метра 40 сантиметров, не останавливаясь.

В целом процесс печати элементов остановки происходил нелинейно и сопровождался постоянным внедрением технологических новшеств. Отчасти, для этого и была создана лаборатория: чтобы пробовать что-то новое и экспериментировать.

— Во время работы над остановкой мы тестировали смеси, впервые использовали продольное армирование, — рассказал Иван Иглевский. — Если эта конструкция будет работать на изгиб, у нее внизу должен быть элемент, который сопротивляется растяжению. Бетон сопротивляется растяжению гораздо хуже, чем на сжатие. У любого элемента, который мы разгибаем, внизу должно быть что-то, что его стягивает. И тогда такая конструкция будет работать намного лучше. Для наших заготовок не было еще полной картины механики работы. Поэтому нам приходилось армировать детали и внизу, и вверху.

Предполагалось, что напечатанная конструкция для остановки будет служить несъемной опалубкой и внутрь за один прием будет залит бетон. Изначально в качестве материала хотели использовать тяжелый бетон, но в итоге пришли к полистиролбетону — он сильно легче и создает меньше напряжения.

— Рассматривали вариант вообще не заливать. Но монотельность — это надежность конструкции, — уточнил Иван Иглевский. — Остановка — элемент инфраструктуры, не просто строение, которое эксплуатируется в условиях определенной культуры, как, например, у жилого дома. Остановка должна обладать вандалоустойчивостью. Для этого нужно было сделать так, чтобы она сопротивлялась хотя бы минимальным перемещениям. Если подойдет человек и ударит цельную конструкцию кувалдой, он выломает существенно меньший кусочек. Да и вообще вероятность того, что что-то выломает, резко сокращается, если конструкция будет залита.

При работе над проектом остановочного павильона выяснился еще один интересный нюанс. Во время перевозки пострадала одна из напечатанных деталей. Оказалось, что при правильном подходе сломанную часть можно заменить на свеженапечатанную: они стыкуются почти как части конструктора LEGO. Правда, такого же взаимного проникновения у них не получается. Поэтому напечатанные детали склеивают специальным пенополиуретановым клеем.

— Это круто, что университет может свои разработки вместе с партнерами тестировать в реальной городской среде, а не просто на лабораторных образцах. Так и должно быть в студенческом городе, — подчеркнула Ника Седикова. — Неожиданностей было очень много в этом проекте, правда, большая их часть не связана с печатью и технологиями, а больше со всякими согласованиями по инженерным коммуникациям, земельным участкам, подбору подрядчиков, сметированию и т.п. Нам очень помогли партнеры, среди которых девелоперская компания 1&3, ООО «Томэкскавация», «ТОП-бетон», Smart Build Service и СБЕР. И особенно круто, что они не просто денег дали, а взяли часть работ на себя, приехали и сделали.

В итоге в лаборатории уложились в сроки и успели напечатать все части остановки до 15 октября. Теперь дело только за монтажом.

— Опыт участия в проекте лаборатории супер-позитивный. Объем знаний, компетенций, которые здесь получены просто беспрецедентный. У меня появилось ощущение, что направление подготовки кадров для аддитивных технологий станет в ближайшее время ключевым. Оно является очень важным, — отметил Иван Иглевский.

Ближайшие технологические задачи, по его словам, нарастить слойность той смесью, которая уже разработана у вуза, до 2,4 метров.

— Но в нашу смесь мы будем добавлять еще и определенные химические компоненты. Над нами еще одну лабораторию построили — лабораторию химии. У нас с ними намечается большая совместная работа по исследованию. Предполагается, что на основе спилов элементарных участков будем делать глубокий анализ структурных изменений в процессе отвердения в разных условиях, — пояснил Иглевский.

Закончить остановку планируют до конца года, а весной еще и высадят клумбы.

— С печатью справились очень хорошо, учитывая, что это был первый опыт крупномасштабных элементов для реального использования, а не лабораторные образцы для тестирования смеси. Мы думали, что проблем с ней у нас будет больше и даже планировали альтернативные пути решения. Но Иван справился очень хорошо. У нас 80% эффективности печати — это очень высокий процент для новой технологии и первого опыта, — отметила Ника Седикова.

Кроме того, начата работа по расширению возможностей использования этих смесей и технологии в целом в разных экстремальных климатических условиях. Например, при печати дома на Алтае, в момент, когда температура ночью начала скакать «через ноль», появились проблемы с тем, что напечатанная конструкция не набирает нужную прочность для того, чтобы на следующий день можно было продолжить на ней печатать.

— Конструкции, которые подверглись замораживанию до набора примерно 40% от марочной прочности, могут уже эту прочность не добрать. Поэтому было принято решение, что мы будем модифицировать эти смеси, чтобы сместить точку замерзания и минимизировать ущерб, который оно может принести. Ну и продумываем технологические новинки, которые будут касаться первых двух суток жизни напечатанных по нашему методу конструкций, — рассказал Иван Иглевский.

— Проект важный с точки зрения внедрения технологий строительной 3D-печати бетоном в нашу повседневную жизнь. Строительная 3D-печать очень быстро развивается, ее относят к технологиям, которые способны радикально изменить строительную отрасль. В идеале, подобный способ строительства приведет к роботизации стройки и при этом позволит создавать красивые, природоподобные объекты, — отметила Ника Седикова.

Текст: Егор Хворенков

Фото: Савелий Петрушев

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».