Cementové kompozity pro tištěné konstrukce

Úvod

3D tisk betonu (3DCP) je metodou výroby betonových konstrukcí, která má oproti konvenční výrobě množství výhod, mezi něž patří například úspora pracovních sil, času i materiálu, jelikož se jedná o automatizovaný proces, při kterém není třeba použít bednění. Rovněž má však svá úskalí, kterými jsou náročnější požadavky na složení betonu pro 3D tisk, transport strojů, betonu i tištěných dílců, pokud výroba neprobíhá přímo na staveništi, obsluha 3D tiskáren a dosažení požadovaných vlastností tištěných prvků.

Tato práce se zaměřuje konkrétně na tiskovou směs. Jsou zde popsány především jednotlivé požadavky, které jsou na ni kladeny, dále představuje jednotlivé složky směsi a nakonec je zde nastíněn způsob návrhu složení tohoto materiálu.

Požadavky na vlastnosti materiálu pro 3DCP

Fyzikální a reologické parametry směsi

Pro popis požadovaných vlastností materiálu pro 3D tisk betonu je třeba použít některé fyzikální a reologické parametry popisující jeho chování. Reologie je obor fyzikální vědy, který se zabývá prouděním a deformací materiálů, konkrétně nenewtonským prouděním kapalin a plastickým tokem polotuhých látek [1].

Viskozita kapaliny je charakterizována jako její odpor vůči přetvoření v důsledku smykového namáhání. V případě cementových materiálů s časem roste vzhledem k jejich tuhnutí, ale může se měnit v důsledku čerpání a vytlačování [2].

Statická mez kluzu odpovídá maximálnímu napětí, které je potřeba k tomu, aby materiál přešel z klidového stavu do pohybu. Materiál pro 3DCP musí mít dostatečně vysokou mez kluzu na to, aby vytištěné filamenty byly schopny udržet ty, jež jsou na ně ukládány, a to bez deformací. Statickou mez kluzu lze zvýšit přidáním zrn hrubého kameniva do směsi [3].

Tixotropie je chování viskózních materiálů, jejichž viskozita může být snížena aplikováním vnějšího zatížení. Tixotropie je závislá na čase a snižuje smykovou rychlost, přičemž je třeba specifické doby pro destrukci a opětovné vybudování mikrostruktury materiálu. Čerstvé materiály na bázi cementu procházejí hydratací cementu, která ovlivňuje jejich fyzikální i reologické chování. Vazby vznikající mezi jednotlivými částicemi materiálu jsou chemicky nevratné, lze je však přerušit fyzikálně, a to dostatečným výkonem čerpacího či míchacího systému při 3D tisku. Vhodná tixotropie je dosažitelná přidáním vláken, která zlepšují soudržnost a snižují smykový odpor [1, 2].

Počáteční pevnost (ang. green strength) je pevnost v raných fázích tištěného betonu a je klíčová pro to, aby tištěné vrstvy byly schopné již brzy po vytištění unést vlastní tíhu i tíhu filamentů na nich navršených. Lze ji zvýšit přimícháním nanojílu do tiskové směsi [3].

Čerpatelnost

Čerpatelnost (ang. pumpability) je definována jako dostatečná zpracovatelnost tiskové směsi, díky níž je schopna procházet čerpacím systémem pod tlakem přes tiskovou hlavici, přičemž si během celého procesu tisku zachovává své původní vlastnosti. Je závislá na řadě různých parametrů, jako například vzdálenosti a metodice čerpání či průměru tiskové hadice. Čerpatelná směs by měla mít nízkou plastickou viskozitu a střední hodnotu meze kluzu. Požadavky na čerpatelnost materiálu vyžadují vysokou rychlost návratu viskozity čerstvého betonu po vytlačení pro zajištění tvarové stálosti filamentu, proto je třeba užití poměrně vysokých čerpacích tlaků [3].

Během pohybu materiálu tiskovým zařízením dochází k segregaci jednotlivých složek. Zatímco hrubé kamenivo se soustřeďuje do střední části trubky, při stěnách se tvoří tekutá vrstva umožňující snazší pohyb směsi. Čerpatelný materiál by měl tomuto působení odolávat. Vysokotlaké čerpání totiž může způsobit zánik tekuté vrstvy podél stěn, což následně vede k zablokování materiálu v trubkách. Tato blokace pak způsobuje diskontinuity ve vytištěném materiálu, což zabraňuje vytváření kvalitních, robustních konstrukcí [3, 4].

Pro správnou čerpatelnost je potřeba, aby směs měla dostatečně vysoký vodní součinitel v/c. Ten se optimalizuje užitím superplastifikátorů či akcelerátorů tuhnutí a tvrdnutí, jelikož přílišné množství vody může způsobovat nedostatečnou tuhost následně vytlačeného materiálu. Bylo prokázáno, že lepší čerpatelnost lze zajistit též vhodným sestavením matrice, čehož lze dosáhnout použitím kameniva s vhodnou křivkou zrnitosti. Některé materiály jako například vedlejší průmyslové produkty, pucolány atd. mohou napomáhat s vyplňováním mezer ve směsi a fungovat jako bariéra mezi částicemi cementu. To zabraňuje vytváření chemických vazeb mezi nimi a tím zlepšuje tečení směsi. Příliš velké množství příměsí však může způsobit zvýšení viskozity, což má pak na čerpatelnost nepříznivý efekt [1, 5].

Pro odhad čerpatelnosti směsí byl zaveden bezrozměrný parametr zvaný index čerpatelnosti. Pro jeho stanovení byla sledována hmotnost směsi transportované čerpadlem rychlostí 2890 ot./min po dobu 30 sekund, průtok byl pak získán v objemu za sekundu. Index čerpatelnosti byl pak vypočítán jako poměr průtoku směsi k průtoku vody. Bylo zjištěno, že index je přímo úměrný hodnotě rozlití vzorků a nepřímo úměrný rychlosti čerpání potřebné k udržení požadovaného průtoku. Čerpatelnost lze měřit pomocí reometru, který používá vztah mezi průtokem a tlakem betonu v hlavě pístu. Kromě toho jsou v praxi užívány též metody měření pomocí reografů, viskozimetrů či tribometrů [3].

Vytlačovatelnost

Jako vytlačování materiálu je označován proces, kdy dochází k ukládání kontinuálních filamentů tiskovou hlavicí přes počítačem řízenou trysku. Vytlačovatelnost (ang. extrudability) je tedy schopnost materiálu procházet bez přerušení tiskovou hlavicí a následně vytvářet filamenty pravidelných rozměrů držící tvar. Vhodnou vytlačovatelnost mají směsi méně tuhé s oblými částicemi. Příliš viskózní materiál může způsobit blokaci či ucpání během tisku. Proces vytlačování může být kromě vlastností tiskové směsi ovlivněn také tiskovým systémem, tiskovou hlavicí a charakteristikami trysky [5].

Dva největší problémy v souvislosti s vytlačovatelností jsou segregace složek materiálu a pauzy v procesu tisku. V hadici může docházet k oddělování složek směsi v důsledku nedostatečného promíchání před zahájením čerpání či nevhodného složení směsi, což způsobuje zablokování trubic. Přerušení tisku pak může zavinit změny reologických vlastností (čerpatelnost, vytlačovatelnost, vystavitelnost) materiálu a nedostatečné spojování navazujících vrstev z důvodu nedostatku povrchové vlhkosti filamentu [5].

Schopnost vytlačování materiálu se vyhodnocuje během procesu tisku, přičemž tiskové zařízení slouží zároveň jako testovací. Většina charakteristik je kvalitativního druhu a zjišťují se vizuální kontrolou. Byla zavedena následující hodnotící kritéria: 1) žádné povrchové vady vytištěného filamentu, 2) okraj vrstev je viditelný, 3) rozměry vrstev se shodují. Kromě toho se využívají také metoda penetračního odporu, zkouška stlačováním, či test zahrnující měření spotřebované elektrické energie [3, 6].

Zajištění konstantního rozměru filamentů závisí nejen na vlastnostech čerstvého materiálu, ale také na vztahu mezi rychlostí lineárního průtoku materiálu (V_m) a rychlostí pohybu trysky (V_n). Tyto dvě rychlosti by měly být v rovnováze, v případě že V_m je menší než V_n , dochází ke zmenšení šířky vrstev či až ke vzniku diskontinuit (obrázek 1a). V opačném případě se materiál začíná hromadit a vytváří se nekonzistentní vyšší vrstva (obrázek 1b) [6].

Obrázek 1: a) Příliš rychlá depozice, b) příliš pomalá depozice tiskové směsi [9]

Bylo zjištěno, že optimální vytlačovatelnost 9mm tryskou mají směsi, jejichž poměr pojiva a písku je roven 1:1,5 a jejichž mez kluzu se pohybuje v rozmezí 0,3–0,9 kPa. Další zdroj pak uvádí poměr cementu ke kamenivu 1:1,3, přičemž poměr drobného kameniva a písku byl 1:2. Maximální velikost kameniva by pak měla být 1/10 průměru tiskové trysky [1].

Vystavitelnost

Vystavitelnost (ang. buildability) značí schopnost uchování tvaru tištěného filamentu při postupně se zvyšujícím zatížení vyvolaném následně ukládanými vrchními vrstvami. Obecně se dá definovat jako maximální počet či celková výška vrstev, která lze na filament navršit za použití čerstvé směsi. Spodní vrstva by si přitom měla zachovat tvar bez znatelných deformací, mít přijatelné sedání a dostatečnou tuhost v čerstvém stavu. Důležité také je, aby se dvě následující vrstvy dostatečně spojily, aby nedošlo k porušení v důsledku malé přilnavosti mezi nimi [3, 5, 6].

Při testování vystavitelnosti materiálu se lze setkat se dvěma způsoby porušení; plastickým zborcením materiálu a porušením elastickým vzpěrem. K porušení materiálu dochází nadměrným zatížením nanesenými vrstvami, k nekontrolované deformaci pak může docházet lokálními či globálními nestabilitami struktury. Zlepšení odolnosti proti selhání materiálu se dá dosáhnout zvýšením a urychlením vývoje meze kluzu směsi v klidovém stavu. Toho se docílí zrychlením počáteční hydratace materiálu. Porušení elastického vzpěru pak může být způsobeno chováním materiálu či změnami v procesu tisku. Nejčastěji k tomu dochází při změnách okrajových a geometrických podmínek [6].

Vystavitelná směs by měla mít jak vysokou hodnotu plastické viskozity, tak meze kluzu, kterých by měl tištěný filament dosáhnout nejpozději před nanesením následující vrstvy. Zlepšení vystavitelnosti lze zajistit přidáním většího množství cementu a drobnějších částic kameniva do směsi. Pozitivní vliv mají pak také urychlovače, které akcelerují chemické reakce a hydratační proces, což způsobuje vyšší počáteční pevnost materiálu [3, 5].

Tato charakteristika je výrazně ovlivněna parametry tisku, jako jsou geometrie, délka dráhy, typ tiskové trysky, časové intervaly mezi po sobě tištěnými vrstvami apod. Prodloužení časového intervalu mezi tiskem jednotlivých vrstev může zlepšit vystavitelnost cementové směsi, jelikož s časem dochází ke zvyšování tuhosti a tvrdosti tištěných filamentů. Délka časového odstupu je primárně závislá na délce tiskové dráhy a rychlosti tisku [6].

Mechanické vlastnosti a odolnost struktur

V důsledku toho, že jsou 3D tištěné konstrukce vytvářené vrstvu po vrstvě, má jejich struktura určitou orientaci. To vede ke směrově závislému chování konstrukce, které je označováno též jako anisotropní [4].

Požadavky na pevnost v tlaku, ohybu a tahu jsou velice podobné těm na pevnosti běžných betonových konstrukcí. Již existují aplikace s využitím materiálů s nízkou (8 MPa) i velmi vysokou (100 MPa) pevností v tlaku. Větší problém představuje odolnost tištěných prvků vůči prostředí [3].

Způsob ukládání materiálu vytváří mezi jednotlivými vrstvami rozhraní. To představuje slabé místo tištěných konstrukcí z důvodu nedokonalého spojení navazujících filamentů. Zde se také nejčastěji tvoří trhliny, jimiž hluboko do struktury materiálu pronikají nežádoucí škodlivé látky či voda způsobující snížení dlouhodobé únosnosti konstrukce a pokles ochranné funkce případné ocelové výztuže. Slabé spojení vrstev též může vést ke kolapsu v důsledku vodorovného zatížení [4].

Existuje několik způsobů, jak zlepšit spojení mezi navazujícími tištěnými filamenty. Jedním z nich je snížení časového odstupu mezi vytvořením jednotlivých vrstev. Pomoci může též přidání vláken do směsi, sledování a úprava množství vlhkosti na povrchu spodní vrstvy či aplikace spojujícího materiálu, jako je například latex. Důležité je také správné nastavení tiskového zařízení [4].

Další problém s odolností vychází ze složení tiskové směsi a absence bednění při výrobě. Užití velkého množství cementu a tekutých složek a malého množství hrubého kameniva vede ke zvýšení pravděpodobnosti vzniku smršťovacích trhlin v čerstvém materiálu i smršťovacích trhlin od vysychání ve ztvrdlém stavu. Nepřítomnost bednění a omezené možnosti ošetřování betonu způsobují větší smršťování a zvyšují pravděpodobnost vzniku trhlin různých původů [3].

Z důvodu požadavků na vystavitelnost se do směsi přidávají urychlovače, což také způsobuje problémy s trvanlivostí vzhledem k potenciální krystalizaci soli z urychlovače na bázi vápníku a dusičnanů. Podobné nevýhody mohou mít i další nově užívaná pojiva a příměsi přidávané do směsí z důvodu splnění požadavků na čerstvý materiál [3].

Složky tiskové směsi

Kamenivo

Materiál pro 3DCP povětšinou obsahuje pouze jemný písek, směsi lze tudíž klasifikovat spíše jako malty. Při zvýšení množství a velikosti kameniva dochází k relativnímu poklesu množství tekutých složek směsi, což vede ke zhoršení čerpatelnosti a vytlačovatelnosti. Čím větší je v materiálu množství kameniva, tím větší je tedy třeba vyvinout čerpací tlak v důsledku snížení viskozity směsi. Při stejném množství kameniva lze vlastnosti směsi ovlivnit velikostí použitých zrn. Drobné kamenivo zvyšuje mez kluzu a vystavitelnost, zatímco na vytlačovatelnost má negativní účinek při použití šnekového extruderu. Hrubé kamenivo o velikosti zrn 8 mm způsobuje poměrně menší pevnost v tlaku tištěných těles a vede ke vzniku hrubšího povrchu filamentů. To může být vylepšeno optimalizací distribuce zrn ve vrstvě a zvětšením množství cementové pasty. O maximální možné velikosti zrna užitého kameniva rozhodují především rozměry a vlastnosti tiskového zařízení, hlavně průměr tiskové trysky. Maximální průměr zrna kameniva lze určit též numerickými simulacemi pro konkrétní rozměry tiskové hlavice. Většina současných tiskáren prozatím není uzpůsobena tisku směsí s hrubým kamenivem [3].

Pojivo

Do tiskových směsí se přidává portlandský cement. Vysoký objem cementové pasty umožňuje jejich lepší čerpatelnost a vytlačovatelnost. Ve směsích pro 3D tisk je užíváno vyšší množství cementu než v klasickém betonu. Vyšší obsah cementu ovšem obecně způsobuje vyšší vývin hydratačního tepla. To je pak tím výraznější, čím jemnější cement je použit. Vyšší vývin hydratačního tepla zvyšuje počáteční pevnost, může ale též způsobovat vznik a vývoj autogenních smršťovacích trhlin a trhlin od vysychání. Ke korekci nežádoucího chování se běžně přidávají do směsí urychlovače tuhnutí a další chemické přísady. Pomoci by také mohlo nahrazení v současnosti aplikovaného portlandského cementu sulfoaluminátovým. Při tuhnutí směsí, v nichž je použit, dochází k řízené expanzi, která omezuje smršťování a vysychání, což jsou závažné problémy u konstrukcí vyráběných bez použití bednění. Při jeho výrobě navíc vzniká méně emisí oxidu uhličitého oproti výrobě portlandského cementu [3, 8].

Portlandský cement je významným zdrojem emisí skleníkových plynů. Z toho důvodu se již četné výzkumy zabývají možnostmi minimalizace jeho užívání. Řešení mohou představovat doplňková cementová pojiva (ang. supplementary cementitious materials, SCM), které mohou portlandský cement částečně či plně nahradit, a tím snížit uhlíkovou stopu stavebního průmyslu [7].

Často užívaným SCM pro 3DCP je granulovaná vysokopecní struska. Ta se přidává do betonu z důvodu zlepšení jeho mechanických vlastností a odolnosti. Ve směsích běžně nahrazuje 10–35 % cementu. Experimentálně bylo zjištěno, že granulovaná vysokopecní struska zlepšuje zpracovatelnost směsí, ovšem snižuje mez kluzu a plastickou viskozitu a prodlužuje dobu tuhnutí. Vyšší množství strusky zvyšuje vystavitelnost, překročení 30 % náhrady cementu však vede k snížení vytlačovatelnosti [7].

Dalším známým SCM je popílek, jenž je vedlejším produktem tepelných elektráren spalujících uhlí. V betonových směsích může nahrazovat 8–80 % obsahu cementu. Některé studie došly k závěru, že zvýšení poměru popílku k cementu vedlo k poklesu meze kluzu čerstvých kompozitů na cementové bázi, jiné studie ovšem prokázaly opačný účinek. Různé výsledky se dají přičíst tomu, že působení závisí na hustotě, velikosti, tvaru a kvalitě povrchu částic popílku. Když jsou částice například velmi jemné, absorbují více vody, tím dochází ke zvýšení vodního součinitele, což má za následek zvýšení meze kluzu. Zvýšení množství popílku v betonu dále způsobuje snížení tixotropního chování, zlepšení tečení materiálu a prodloužení doby tuhnutí z důvodu pomalejší hydratace popílku oproti cementu. Vliv na ostatní vlastnosti se pak odvíjí od typu popílku a velikosti, tvaru a kvalitě povrchu jeho částic [7].

Metakaolin zlepšuje pevnost a trvanlivost betonu díky schopnosti pucolánové aktivity. Dle existujících studií má použití metakaolinu za následek zvýšení meze kluzu a plastické viskozity cementových materiálů, což znamená, že došlo ke snížení vystavitelnosti a zlepšení čerpatelnosti materiálu. Metakaolin také oddaluje počátek tuhnutí směsí na bázi cementu [7].

Nejběžněji užívaným SCM do betonu je křemičitý úlet, jelikož reaguje s hydroxidem vápenatým vznikajícím během hydratace cementu. Jedná se o pucolánový materiál, který výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti a trvanlivost betonu. V prozatím provedených studiích byl cement nahrazen 2–20 % křemičitého úletu. Na jeho účincích na mez kluzu a plastickou viskozitu se studie neshodují, což je připisováno vlastnostem povrchu částic, míře náhrady cementu a interakcí s dalšími složkami ovlivňujícími reologické vlastnosti čerstvého betonu. Prokázán byl pozitivní účinek křemičitého úletu na vystavitelnost a čerpatelnost materiálu a prodloužení doby tuhnutí [7].

Voda

Ve směsích pro 3DCP se používá obyčejná kohoutková voda. Její množství se odvíjí od požadované meze kluzu, tvárnosti, vystavitelnosti a vytlačovatelnosti. Oproti běžnému betonu je třeba v tiskových směsích užití menšího množství vody a nižšího vodního součinitele v/c [8].

Přísady

Směsi používané pro 3DCP by měly mít různé vlastnosti ve stavu před a po vytištění. Pro zajištění těchto převážně protichůdných požadavků se používají různé chemické přísady. Nejčastějšími jsou příměsi redukující obsah vody, modifikátory viskozity a přísady regulující tuhnutí směsi [8].

Materiál pro 3D tisk betonu obsahuje relativně málo vody vzhledem k průměrnému vodnímu součiniteli 0,3. Z toho důvodu je zásadní použití superplastifikátoru, který zajišťuje optimální čerpatelnost, vytlačovatelnost a vyšší mechanickou pevnost tiskových směsí [3].

Často jsou též užívána činidla modifikující viskozitu (ang. Viscosity Enhancement Agent, VEA). Ta slouží ke zlepšení tvarové stálosti, zvýšení soudržnosti a viskozity po vytlačování. Také zlepšují tixotropní vlastnosti a zvyšují strukturální vystavitelnost směsí [8].

Přidání urychlovačů tuhnutí zvyšuje statickou mez kluzu, a tím zlepšuje vystavitelnost materiálu. Nejúčinnějším anorganickým urychlovačem do betonu je chlorid vápenatý, který ovšem způsobuje korozi ocelové výztuže. Použití urychlovačů zlepšuje také přilnavost navazujících tištěných filamentů vzhledem k tomu, že urychlují proces hydratace. Problém při jejich použití může nastat v případě zpoždění v procesu tisku, během něhož ztratí směs rychleji schopnost čerpatelnosti a vytlačovatelnosti, což poté vede k ucpávání trysky či vzniku nedokonalých spojů mezi tištěnými vrstvami. Nevýhody urychlovačů lze vyřešit změnou způsobu jejich přidávání do směsí. Výhodnější je jejich aplikace až v oblasti trysky či na již vytištěné filamenty [3, 8].

V současnosti jsou zkoumány možnosti využití alternativních přísad, jako jsou například attapulgitový nanojíl a nanosilika, které mohou zlepšovat vystavitelnost materiálu zrychlením jeho restrukturalizace. Ovlivňují pak negativně vytlačovatelnost materiálu, obzvlášť při přerušení tisku, kdy dochází k tuhnutí, to však lze zvrátit aplikací vnějšího smykového namáhání či vibracemi. Možností jsou také víceúčelové přísady, jako ethery celulózy, kterými lze usměrňovat viskozitu, zlepšit zadržování vody či zvyšovat pevnost vazby mezi tištěnými vrstvami. V některých případech se do směsí přidávají zpomalovače tuhnutí, aby se prodloužila doba, po kterou lze směs tisknout. Nejběžněji užívaným zpomalovačem je sacharóza, jež účinně zpomaluje hydrataci cementu [3].

Vlákna

V oblasti 3D tisku betonu představuje stále velký problém vyztužení. Z toho důvodu prozatím není 3DCP schopen konkurovat na trhu klasickým betonovým konstrukcím. Valná většina výzkumů je prozatím zaměřena na vyztužení přidáním vláken do tiskové směsi. Jedná se například o vlákna z vysokopevnostní oceli, čediče, skla a polymerní či přírodní vlákna. Bylo zjištěno, že materiál vyztužený kovovými vlákny může mít až dvakrát vyšší pevnost než v případě užití polymerních vláken. Na vlastnosti materiálu s vlákny má vliv jejich orientace. Vlákna se většinou orientují ve stejném směru jako tištěné vrstvy, což zlepšuje pevnost v tahu v tomto směru. Nevýhodou je, že jsou příliš krátká, aby poskytovala kontinuální vyztužení, navíc pak také chybí výztuž v kolmém směru či mezi filamenty. Vlákna často způsobují hromadění či blokaci materiálu v tiskovém zařízení, čímž zhoršují jeho čerpatelnost. Proto jsou využívána spíše vlákna pružná, krátká, méně účinná a typicky dražší. Řešením problému může být přidávání vláken až po vytištění filamentů, a to rozprostřením po jejich povrchu. Při tomto postupu pak neexistují žádná omezení délky vláken, jejich orientace může být jakákoli, je zlepšené přemostění potenciálních trhlin a jsou umožněny pauzy a změny v dávkování výztuže v závislosti na procesu tisku [1].

Návrh složení směsi

Obrázek 2: Víceúrovňový design materiálu [4]

Pro systematické zachycení významných faktorů při návrhu tiskové směsi se využívá víceúrovňový design materiálu (ang. multi-level material design, MMD), jež je znázorněn na obrázku 2. Zahrnuje vše od jednotlivých složek po celkové chování struktury. Tři pyramidy odpovídají třem po sobě následujícím etapám v návrhu 3DCP, tedy návrhu směsi, procesu tisku a finální kompozitní struktuře. Pyramidy jsou spojeny ve dvou vrcholech. Spodní tři vrcholy vždy významně ovlivňují vrchol v horní části, což se pak promítá i do dalších úrovní společně s dalšími dvěma přidanými faktory. Na nejnižší úrovni se nachází složky směsi zahrnující doplňková cementová pojiva, superplastifikátor a činidlo modifikující viskozitu ovlivňující reologické vlastnosti materiálu. Reologie popisuje deformační a tokové vlastnosti, což ovlivňuje čerpatelnost a vystavitelnost, stejně jako tribologie (charakterizující tření) a transport a umístění směsi. Na nejvyšší úrovni pak čerpatelnost a vystavitelnost společně s mechanickými vlastnostmi a vyztužením určují celkové chování kompozitní struktury [4].

Obecně by měl být tiskový materiál především v koordinaci a kompatibilitě s tiskovým zařízením. Betonová směs by měla obsahovat především složky s jemnými částicemi, mít vhodnou tekutost, vytlačovatelnost a zpracovatelnost a vykazovat počáteční i výslednou mechanickou pevnost. Musí bez problémů procházet tryskou, což vyžaduje, aby maximální velikost použitých složek nebyla větší než 1/10 nejmenšího rozměru trysky. Vodní součinitel se upravuje tak, aby se směs chovala jako tekutý materiál a umožnil se její hladký průchod systémem. Jakmile je rozhodnuto o obsahu cementu, vody, kameniva a ostatních práškových příměsí, optimalizuje se směs na požadované vlastnosti pomocí různých přísad a vláken. Na toto téma se provedlo již množství experimentů, orientační složení materiálů použitých v nejúspěšnějších z nich je zapsáno v tabulce 1, přičemž použitý vodní součinitel se pohyboval v rozmezí 0,23–0,35 [5].

Závěr

Cementové kompozity určené pro 3D tisk betonu jsou unikátní materiály, které musí vyhovovat množství náročných požadavků. Toho může být dosaženo použitím většího objemu pojiv, různých druhů přísad a vláken. Největší výzvou zůstává anizotropní chování a slabá rozhraní mezi ukládanými vrstvami, jež představují potenciální místa selhání a snižují dlouhodobou odolnost konstrukce vůči vnějším vlivům. Zajištění kompatibility všech složek materiálu s tiskovým procesem vyžaduje uplatnění komplexní metodiky zabývající se víceúrovňovým návrhem složení směsi pro 3DCP.

Poděkování

Teoretické podklady pro prezentované výsledky byly získány za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu v rámci projektu SGS25/038/OHK1/1T/11 „Konstrukce z moderních cementových kompozitů a jejich optimalizace“.

Literatura

1. AHMED, Ghafur H.; ASKANDAR, Nasih H. a JUMAA, Ghazi B. A review of largescale 3DCP: Material characteristics, mix design, printing process, and reinforcement strategies. Online. Structures. 2022, roč. 43, s. 508-532. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.06.068 [cit. 2025-09-20].
2. MECHTCHERINE, V.; BOS, F.P.; PERROT, A.; LEAL DA SILVA, W.R. a NERELLA, V.N. Extrusion-based additive manufacturing with cement-based materials – Production steps, processes, and their underlying physics: A review. Online. Cement and Concrete Research. 2020, roč. 132, s. 106037. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106037. [cit. 2025-09-20].
3. ZHANG, Chao; NERELLA, Venkatesh Naidu; KRISHNA, Anurag; WANG, Shen; ZHANG, Yamei et al. Mix design concepts for 3D printable concrete: A review. Online. Cement and Concrete Composites. 2021, roč. 122, s. 104155. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104155. [cit. 2025-09-20].
4. LU, Bing; WENG, Yiwei; LI, Mingyang; QIAN, Ye; LEONG, Kah Fai et al. A systematical review of 3D printable cementitious materials. Online. Construction and Building Materials. 2019, roč. 207, s. 477-490. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.144. [cit. 2025-09-20].
5. AHMED, Ghafur H. A review of “3D concrete printing”: Materials and process characterization, economic considerations and environmental sustainability. Online. Journal of Building Engineering. 2023, roč. 66, s. 105863. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.105863. [cit. 2025-09-20].
6. CHEN, Yu; HE, Shan; GAN, Yidong; ÇOPUROĞLU, Oğuzhan; VEER, Fred et al. A review of printing strategies, sustainable cementitious materials and characterization methods in the context of extrusion-based 3D concrete printing. Online. Journal of Building Engineering. 2022, roč. 45, s. 103599. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103599. [cit. 2025-09-20].
7. NODEHI, Mehrab; OZBAKKALOGLU, Togay a GHOLAMPOUR, Aliakbar. Effect of supplementary cementitious materials on properties of 3D printed conventional and alkali-activated concrete: A review. Online. Automation in Construction. 2022, roč. 138, s. 104215. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104215. [cit. 2025-09-20].
8. ŞAHIN, Hatice Gizem a MARDANI-AGHABAGLOU, Ali. Assessment of materials, design parameters and some properties of 3D printing concrete mixtures; a state-of-the-art review. Online. Construction and Building Materials. 2022, roč. 316, s. 125865. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125865. [cit. 2025-09-20].
9. ChatGPT. a) Příliš rychlá depozice, b) příliš pomalá depozice tiskové směsi. 2026, https://chatgpt.com. Obrázek generovaný AI.