В ОАЭ напечатали на 3D-принтере пластиковую арматуру, достигающую 80% прочности стали

Строительная отрасль традиционно оставляет значительный углеродный след, во многом из-за массового использования металлов в несущих конструкциях. Кроме того, влажность и агрессивные условия окружающей среды сокращают срок службы инфраструктуры, что заставляет инженеров пересматривать роль стали в армировании бетона.

На протяжении многих лет ученые изучали потенциал синтетических полимеров для этих целей. Однако до недавнего времени главной проблемой оставалась плохая адгезия (сцепление) между гладкими пластиковыми стержнями и цементом, что могло приводить к опасному скольжению внутри конструкции.

Полимерная альтернатива: 80% прочности стали в бетоне

Исследователи из Университета Шарджи в Объединенных Арабских Эмиратах разработали пластиковые армирующие элементы, изготовленные методом 3D-печати. Команда под руководством доктора Мухаммада Талхи Джунайда создала биоразлагаемые детали, способные достигать 80% прочности стали на изгиб при использовании в бетоне.

Результаты исследования показывают, что основная сложность заключалась не в самом синтетическом материале, а в традиционной цилиндрической форме стержней. Для решения проблемы сцепления ученые применили технологию 3D-печати методом послойного наплавления (FDM). Это позволило спроектировать геометрию, которую невозможно получить классическими методами производства, такими как экструзия или литье.

Геометрия как ключ к надежности

Благодаря современным 3D-принтерам инженеры изготовили арматуру необычных форм: плоские пластины, волнообразные структуры, зубчатые края и треугольные узоры. Эти конфигурации служат надежными точками анкеровки внутри цементной матрицы, значительно улучшая распределение нагрузки.

Новый дизайн позволил полимерным элементам поглощать в пять раз больше энергии по сравнению с обычными гладкими пластиковыми стержнями. Испытания также показали существенное повышение ударной вязкости при длительных нагрузках на сжатие.

Наилучшие результаты показали волнообразные формы. Изгибы напечатанной детали помогают «запирать» заполнитель и затвердевший цемент, минимизируя смещение материалов внутри балки. Такая структура позволяет конструкции выдерживать напряжение дольше до момента разрушения, что критически важно для предотвращения внезапных обрушений при сильном ветре или сейсмической активности.

Преимущества для будущего строительства

Главный недостаток металлических стержней — склонность к окислению при контакте с водой и кислородом. Коррозия увеличивает объем металла внутри бетона, что вызывает появление трещин и разрушает целостность мостов и дорог.

Пластиковая арматура полностью решает проблему коррозии. Она идеально подходит для прибрежных зон с высокой влажностью и соленостью воздуха, что позволяет существенно снизить затраты на техническое обслуживание объектов. Кроме того, легкость пластика упрощает транспортировку и монтаж, повышая безопасность труда и ускоряя темпы строительства.

Экологичный материал из кукурузы

В качестве материала исследователи выбрали полилактид (PLA) — биопластик, получаемый из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. Это делает технологию экологически привлекательной.

Такой подход позволяет производить арматуру прямо на строительной площадке. Для этого достаточно иметь катушки с филаментом и 3D-принтеры, что минимизирует количество отходов и позволяет создавать детали под конкретные нужды проекта.

В настоящее время команда из Университета Шарджи работает над масштабированием производства и планирует испытать новую арматуру в полноразмерных строительных конструкциях на следующем этапе исследований.