3D-печатный бетон с интегрированной в процессе армирующей сеткой из волокнопластика

Строительство домов гигантскими 3D-принтерами

Представьте себе дома, печатаемые так же, как ваш настольный принтер наносит чернила — только «чернила» здесь — свежий бетон, выдавливаемый толстыми лентами. Это видение роботизированного, с минимальными отходами, строительства близко к реальности, но остается одна важная проблема: современный 3D-печатный бетон может быть неожиданно хрупким. В этом исследовании предлагается новый способ незаметно внедрять прочные лёгкие сетки в бетон во время печати, с целью сделать будущие печатные стены и перекрытия более стойкими, безопасными и долговечными.

Новый способ усиления печатного бетона

Традиционные бетонные конструкции прячут стальные стержни внутри, чтобы сопротивляться изгибу и трещинообразованию. В случае послойно печатаемого бетона, где не используются опалубки, внедрить такие стержни сложно и часто требует ручной работы, что подрывает обещание полной автоматизации. Авторы предлагают иной подход: использовать гибкие сетки из армированного волокном полимера (FRP) — тонкие, сетчатые полосы из высокопрочных нитей в пластиковом связующем — и подавать их в конструкцию прямо во время печати. Их ключевое достижение — система с двумя соплами, которая одновременно наносит бетон и сетку FRP. Одно сопло экструдирует бетонную нить, а второе, немного заниженное, укладывает гибкую сетку так, чтобы она оказывалась в «сэндвиче» между последовательными слоями бетона по мере движения принтера.

Как работает система с двумя соплами

Новое устройство монтирует катушку со сеткой FRP и направляющую прямо на коммерческий 3D-бетонный принтер. По мере перемещения печатающей головки бетон выходит из переднего сопла, а сетка разматывается с катушки, управляется при обходе поворотов и подаётся через заднее сопло в свежий бетон. Сила тяжести и вес последующих слоёв прижимают сетку на место. Поскольку направляющая и сопло для сетки модульны и съёмны, можно использовать сетки разной ширины без переоборудования всей машины. Исследователи также применяют «функционально градиентные» бетонные плиты, с более прочным, волокнисто-обогащённым бетоном на растянутой стороне и геополимерным бетоном сверху, что перекликается с тем, как природа располагает материал там, где он наиболее нужен.

Испытание напечатанных плит

Чтобы проверить, действительно ли внедрённые в процессе сетки помогают, команда напечатала серию пластинчатых элементов и подвергла их испытаниям на трёхточечный изгиб: плита поддерживается по концам и прогибается посередине до разрушения. Плиты, армированные сетками FRP, выдерживали примерно на 41% большую нагрузку по сравнению с обычными плитами и могли прогибаться более чем в пять раз сильнее до разрушения, что означает, что они гнулись без внезапного перелома. Наилучший результат показала компоновка с сетками в нескольких рядах и колонках, однако исследование также выявило, что одна более широкая полоса сетки может быть так же эффективна, как несколько узких при одинаковом суммарном объёме армирования. Испытания на вырыв — где кусок сетки вытягивали из бетонного блока — показали, что сцепление между сеткой и бетоном умеренное, но не оптимальное, и что скольжение происходит лишь у части нитей сетки, что ограничивает эффективность перераспределения усилий.

Скрытая цена пустот между слоями

Картина не полностью положительная. Поскольку сетка укладывается между слоями, она создаёт небольшие зазоры и снижает прямой контакт между бетонными слоями. Испытания на расслоение, при которых слои целенаправленно разрывают друг от друга, показали, что межслойная прочность падает примерно на треть до почти половины при добавлении сеток. Рентгеновская микрокомпьютерная томография высокого разрешения и измерения пористости методом ртутной инвазии объяснили причину: интерфейсы вокруг сеток содержат больше и более крупные пустоты, особенно удлинённые поры длиной более одного миллиметра. Эти слабые зоны меняют путь распространения трещин, поощряя образование одной доминирующей трещины вместо множества мелких, и затрудняют полное «захватывание» сетки бетоном.

Что это значит для будущих печатных зданий

Для неспециалистов главный вывод таков: новая система с двумя соплами успешно доказывает ключевую идею — прочное, лёгкое армирование можно внедрять прямо в 3D-печатный бетон по мере его наращивания, что повышает несущую способность элемента и позволяет ему сильнее прогибаться перед разрушением. Одновременно выявлены следующие инженерные задачи — улучшить сцепление сетки с бетоном внутри и между слоями и снизить количество мелких воздушных пустот, формирующихся вокруг неё. Решение этих проблем может приблизить 3D-печатный бетон к роли повсеместного, полностью автоматизированного способа строительства долговечных домов, мостов и другой инфраструктуры.

Цитирование: Sun, HQ., Xie, SS., Zeng, JJ. et al. 3D-printed concrete with in-process embedded fiber-reinforced polymer grid reinforcement. Commun Eng 5, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00628-1

Ключевые слова: 3D-печатный бетон, армирование сеткой из FRP, аддитивное строительство, функционально градиентный бетон, межслойная адгезия