Công nghệ in bê tông 3D sử dụng cho công trình xây dựng

In bê tông 3D là quá trình tạo hình các đối tượng (vật thể công trình) ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu bê tông lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính, để tạo ra vật thể đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD. Quá trình tạo hình vật thể bằng công nghệ này có thể tạo nên vật thể mọi hình dạng với tốc độ nhanh và  sử dụng ít lao động.

Đặc biệt, không cần khuôn nên giảm thiểu đáng kể chất thải vật liệu. Bên cạnh đó, vật liệu sử dụng để in bê tông 3D cần có độ nhớt thấp, dẻo, sau khi ra khỏi vòi in phải khô, tính kết dính cao và ít bị biến dạng.

Các nguyên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm có xi măng PC50, tro bay loại F, silicafume (SF), sợi polypropylene (PP), cát, nước, phụ gia điều chỉnh độ nhớt (VMA) và phụ gia siêu dẻo. Vật liệu bê tông dùng để in 3D tạo hình, được ứng dụng cho xây dựng ở 2 mảng: in 3D tường công trình xây dựng dân dụng và in 3D tạo hình mặt dựng trang trí công trình.

Sản phẩm mặt dựng trang trí được tạo hình bằng in bê tông 3D.

Qua nhiều đợt nghiên cứu, thử nghiệm, phối trộn vật liệu, phụ gia nói trên, nhóm thực hiện đã chọn được sử dụng hỗn hợp bê tông phù hợp cho in 3D, với tỷ lệ CL/CKD (cốt liệu/chất kết dính) = 1 và 1,5 để chế tạo sản phẩm trang trí. Còn hỗn hợp bê tông với tỷ lệ CL/CKD = 2, dùng cho sản phẩm tường công trình xây dựng.

Thử nghiệm đánh giá cường độ chịu nén (theo TCVN 6016: 2021) và chống thấm cho thấy, cường độ chịu nén của tường bê tông in 3D cao hơn gần 30% so với tường gạch đất sét nung. Đặc điểm này có thể hướng đến thiết kế bê tông in 3D với vai trò là tường chịu lực, thay vì chỉ là kết cấu bao che. Tường bê tông in 3D cũng có khả năng chống thấm tốt hơn so với tường xây bằng gạch đất sét nung.

Theo PGS.TS Trần Văn Miền, chủ nhiệm đề tài, nguyên vật liệu và tỉ lệ thành phần nguyên vật liệu sử dụng để chế tạo bê tông in 3D vừa phải đảm bảo khả năng in 3D được, vừa có tốc độ co ngót thấp và thời gian ninh kết (bê tông sau khi trộn đông đặc lại hoàn toàn, đủ khả năng kết dính vững chắc), không quá 12 tiếng, để phù hợp với điều kiện thi công).

Vì vậy, nguyên liệu sử dụng để chế tạo bê tông in 3D có đặc trưng là cốt liệu nhỏ (không quá 5 mm) và hàm lượng chất kết dính thấp.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thi công công trình nhà ở (dài 15 m, rộng 8,5 m, cao 3,8 m) tại TP. Thủ Đức gồm có các phòng khách, phòng ăn, bếp, phòng ngủ, phòng làm việc, tường nhà thiết kế tạo kiểu dáng cánh hoa hồng bằng công nghệ in bê tông 3D. Đối với những công trình này, tốc độ in của máy dao động từ 40 - 60 mm/s.

Khi sử dụng máy in khổ lớn để thi công xây dựng, tốc độ in cần thay đổi từ 60 - 100 mm/s. Đối với sản phẩm là mặt dựng trang trí, với các mẫu hoa văn khác nhau, thì tốc độ in phù hợp của máy là 40 mm/s (thời gian in hoàn thành ngôi nhà hết 72 giờ).

Cục TT KH&CN QG