Доц. Румяна Захариева от УАСГ за идеята за ползване на отпадъци за строителство на сгради

Разкажете ни за проекта, финансиран от Центъра за научни изследвания, който изследва възможностите на бетона в 3D принтирането и за вашата роля там. Каква всъщност е целта на проекта?

Проектът се финансира от Центъра за научни изследвания и проектиране при УАСГ. УАСГ получава целева субсидия от Министерството на образованието и науката за научни изследвания, но тя е крайно недостатъчна (от порядъка на 200 хлд. лв. годишно). Проектът беше замислен доста амбициозно с колектив от 12 души – специалисти в различни области, като крайната цел бе прототипиране – изграждане на обект по технологията на 3D печата. Аз самата съм от катедра „Строителни материали“, така че всъщност моят екип отговаряше за разработването на състава, но имаме колега от катедра „Масивни конструкции“, съдействащ при конструирането и оразмеряването; колеги архитекти от катедра „Технология на архитектурата“, които да ни помогнат с концепцията и с визията на обектите; колежка, която е специалисти по т. нар. Устойчиво строителство, за да могат решенията, които се взимат, да бъдат едновременно технически осъществими, но и икономически целесъобразни, и също така и щадящи околната среда. В колектива имаме колеги от катедра „Строителна механика“ за статическото и динамичното изследване на конструкциите, колеги от катедра „Автоматизация на инженерния труд“ за 3D моделиране и програмиране.

Идеята на проекта беше да се разработи първо състав,  подходящ за 3D принтиране на конструктивни елементи/конструкции, както и да се създаде концепция какви строителни елементи/сгради е подходящо да се  принтират 3D. Направихме SWOT анализ от гледна точка на техническа осъществимост и целесъобразност, минимизиране на екологичния отпечатък и някои икономически параметри. В крайна сметка стана ясно, че в момента в българските условия, като като перспективни за 3D принтирането в строителството, биха могли да се разглеждат два типа съоръжения. Първият  е интересни архитектурни форми. Например свободно стояща стена, която може да бъде архитектурен елемент с чисто естетическа цел. 3D принтирането дава възможност да се правят много авангардни решения. Второто направление, което изведохме, беше, че технологията може да се използва при природни или антропогенни бедствия като трагедията в Хитрино, при които има голямо количество строителни отпадъци, но средата е замърсена  и не могат да се започнат веднага конвенционални строителни дейности, а има и нужда от разчистване. Аз от дълги години се занимавам с управлението на строителните отпадъци, чийто потенциал за оползотворяване у нас не се използва пълноценно. Идеята беше, че в материала за 3D принтирането могат да се оползотворяват строителни отпадъци. Тази идея се разработва и от други изследователи, а една китайска компания твърди, че го изпълнява на практика – принтират се къщи, като в материала има вложени строителни отпадъци. Има други научни центрове, които работят по това как различни видове отпадъчни  материали да се ползват като суровина при 3D принтирането. В нашия състав също има производствени отпадъци, но съставът ни е на циментова основа.  В света има различни тенденции по отношение на свързващото вещество – има, например, екипи, които работят върху принтиране с почва, най-често глина или  модифицирана глина. В България обаче следва да се отчитат изискванията на противоземетръсното инженерство и подобен подход не би имал сериозно практическо приложение.

Въпросът за стабилността на конструкцията у нас е важен… Какво представлява бетонът за 3D принтери?

Ние още от началото тръгнахме с циментови състави, тъй като в нашата лаборатория бе създаден т.нар. супервисокоякостен бетон, който всъщност една много финозърнеста матрица с дисперсна армировка. Тънкостта при материала за 3D принтери е, че той трябва да притежава много комплексни свойства, понякога взаимно изключващи се и ние работим за опитимизирането на състава. Първоначално, в първата година на финансиране, проектът тръгна като двугодишен с опция за три и сега сме в третата година. През първата ние основно работихме върху материала. Идеята беше с нашите партньори от Смарт Фаб Лаб – млади архитекти, които се занимават с 3D принтиране за нуждите на архитектурата, разбира се с полимери, да ни съдействат за конструирането на екструдер – тъй като материалът всъщност се екструдира. Дадохме си сметка, че с финансирането не бихме могли въобще да мечтаем за купуването на някакъв робот – идеята беше да се наеме роботизирана ръка, която нашите специалисти софтуеристи да накарат да се движи по желаната траектория. Само че нещата се случиха  по различен начин. Не получихме нужното финансиране нито за конструирането на екструдера, нито за наемането на робота. Финансирането бе наполовина и решихме да го вложим в закупуването на реометър – апарат, с който се изследва как тече бетонната смес и се определят нейните параметри, за да можем да контролираме поведението й при принтиране и да ни позволи по-бързи промени в рецептурата на сместа. Всъщност финансирането, което се отпусна през първата година, дори не беше достатъчно и за реометър, но ние го съхранихме за втората, тогава получихме и допълнително финансиране. Междувременно обаче цената на реометъра се покачи, защото производителят вече произвеждаше нов модел реометър, и сега, след третата година на финансиране, благодарение на ръководството на ЦНИП  и колегите от комисията за научните проекти, които проявиха разбиране и чисто организационно ни съдействаха сумите да се натрупат – реометърът е платен авансово и го очакваме всеки момент. Това е уникален за България уред, с който можем да прилагаме научен, а не са само занаятчийски, подход („забърках с нещо – стана, ако сложа от това или онова – не става“). Все пак нещата в строителното материалознание са напреднали и е хубаво, за да управляваме ефективно поведението на един материал, да знаем неговите истински параметри. Още повече, че 3D принтирането е успешно само при много тясно свързано между материал и технология на полагане.  Направихме материал, който полагаме със сладкарски силиконов джоб през дюзи, но вероятно ще се наложат редица модификации до момента, когато материалът ще е годен за екструзия и ще може наистина да се принтира. Голямо предизвикателство е влагането на дисперсната стоманена армировка от микро-влакна, което със силиконовия джоб не можем да реализираме. Тези влакна са ни необходими, защото не бихме искали да използваме конвенционалната армировка, което ще затрудни принтирането и ще провали идеята – да става бързо и красиво, с олекотена конструкция.

Стоманените микровлакна осигурят постигането на проектните параметри на материала (например якост на опън или опън при огъване), неговата дуктилност и др.

Миналата година, един белгийски студент от Университета в Гент, който беше в УАСГ по програма Еразъм, избра за тема на дипломната си работа „Dimensioning and static model of 3D concrete printed vertical element“, в която  моделира една спираловидна стена и тогава се сблъскахме с първите проблеми от чисто конструктивна гледна точка. В момента изследваме и оразмеряваме сграда ( с площ около 16 кв.м. и светла височина 2,80 м)  и правим статични и динамични модели. Идеята за нея тръгна от SWОT анализа: вместо грандомански проекти за 3D принтирани сгради, които изискват големи и скъпоструващи машини, да се  правят модулни жилища, които в случай на бедствие да служат на хората, като дават възможност за допълване с 3D принтиране или с традиционни методи на строителство. В момента изследваме именно такъв модул – дали при тази геометрия, която сме избрали, може да минем без конвенционална стоманена армировка – защото това е ключовото в крайна сметка.

Ние правим нещо, което много малко хора в света правят – моделиране, изчисляване и оразмеряване на 3Д елементи, при което възникват множество проблеми, свързани с избора на решетка, статическа схема, разпределение на усилията, поведението на конструкцията.  В повечето случаи колегите по света работят експериментално – те имат 3D принтери и експериментално установяват устойчивите решения. Почти във всички технически университети в Европа вече има 3D принтери, много от тях – за принтиране с бетон. В много случаи обаче те се използват за принтване на декоративни елементи (орнаменти, кашпи, колонки и др). Предизвикателство е да направиш конструкция с 3D принтерите, така че само няколко центъра в света прилагат нашия подход – първо нещата да бъдат изчистени от конструктивна гледна точка и след това, да се принтират. Разбира се, има риск част от приеманията, които сме направили, да не се потвърдят и тогава експерименталните данни ще служат за нова итерация и за по-адекватно моделиране на конструкцията. Всъщност и ние, ако имахме принтер, бихме изработвали малки физически модели, по които да „напаснем“ модела.

Кой ви помага? Имате ли съмишленици?

Имаше колеги от Пловдив от Българската Био Ресурсна Асоциация за Натурално Развитие – Орфей (BBRAND), които се обадиха с предложение за сътрудничество и ни изпратиха модел на принтер с кранова конструкция, с полезна площ около 2 квадратни метра и с максимална работна височина от 1.80 до 2 метра. Вече има множество други иновативни решения по света, свързани с това как да се движи екструдерът, например по въжета, което дава много голяма гъвкавост на решенията… много интересни неща се правят, но, в крайна сметка, въпросът опира до финансиране. Друг предприемач, пак от Пловдив, също прояви интерес. Идеята му беше той да купи готов принтер/технология от Китай или от Словения, а след това да работим заедно, като използва нашето ноу-хау, но осигурява финансирането. Той има много интересна идея за създаване на модел на съоръжение в умален, но достатъчен мащаб, който би позволил на хората да преминават през него и да го разглеждат и отвътре. 

Да не е само макет?

Да, идеята е да се създават строителни конструкции.

Ще трябват ли промени в законодателството, за да се строи с 3D принтери?

Доколкото съм запозната с проектирането и със строителството, предвид на противоземетръсните изисквания, при нас не са допустими конструкции без конвенционална армировка. В същото време обаче има множество национални ръководства в страните на ЕС за строителство със супервисокоякостен бетон, който също не се покриват нито от Еврокод, нито от съществуващите норми и стандарти. Така че, вероятно има начин, при доказване на параметрите, при доказване, че се изпълняват основните изисквания към строежите, особено това за механично съпротивление и устойчивост,  да се получи разрешение за такова  строителство. Необходими са убедителни доказателства и методи на изчисления и оразмеряване, които ние можем да разработим. Отговорът е, че 3D принтирането не може да бъде обхванато от съществуващите методики, но има начини тази нормативна непълнота да се преодолее.

Как геодезистите биха могли да ви помогнат при разработката на вашите идеи?

Геодезистите биха могли да помогнат по следния начин. В момента у нас ситуацията с депата, и в частност в депата за строителни отпадъци, са неясни. Тъй като се предполага, че депата за строителни отпадъци приемат само инертни материали, които не създават някакви рискове за околната среда, тези площадки остават извън контрол. Информацията за тях в регистъра към ИАОС също е непълна. Има много площадки, които се отреждат от общините, но които РИОСВ одобрява. Казвам обаче, „се предполага”, защото много от строителните отпадъци не са инертни и вероятно има рискове за околната среда. Да не говорим за нелегалните депа. Спомняте си голямото бедствие в Аспарухово, което беше предизвикано от нелегално изхвърлени строителни отпадъци. Всъщност идеята е да се картират площадките или депата за строителни отпадъци. Те са ресурс, който може да бъде оползотворен, особено с използване на мобилни инсталации за третиране на отпадъците. Самото 3D принтиране също е мобилна инсталация. Следователно, отпадъците могат да бъдат оползотворени дори на място. 3D принтирането използва дребнозърнест материал, изискващ смилане на строителните отпадъци до пясъчна и/или прахова фракция.  

България  е заплашена от санкция заради депата си, но основният акцент винаги се поставя върху депата за битови отпадъци и това е справедливо, защото те са големият проблем. Намерението на седем регионални депа за битови отпадъци да се построят площадки за третиране на строителни отпадъци е само частично осъществена, например в Добрич, подготвя се инсталацията в Хасково, но не се осъществи в Карлово.

Със силата на геодезията, особено с фотограметрията, може да се картират площадките с натрупани строителни отпадъци и да се изчислят техните количества. Би било чудесно, ако можем да съдействаме за ликвидиране на нелегалните депа и/или да оползотворим голяма част от строителните отпадъци на отредените площадки.

В този контекст, моят екип от УАСГ участва в Център за компетентност „Чисти технологии за устойчива околна среда – води, отпадъци, енергия за кръгова икономика“, финансиран по оперативната програма „Наука за интелигентен растеж“, като ние работим по оползотворяването на  строителните отпадъци и една от планираните дейности е точно тази – да идентифицираме депонираните строителни отпадъци. Така че ще потърся сътрудничеството на колегите геодезисти – да се картира и да се оцени, доколко депата представляват риск или не, съответно ако представляват риск – да се предпишат начини, по които тези отпадъци да се оползотворят и така бихме могли да постигнем няколко ефекта едновременно.

Какво ще правите през 2019 г. с проекта за 3D?

Ще продължим да работим. Идеята е да потърсим бизнеса за осигуряване на финансиране, като ние предлагаме нашето ноу–хау. Изследванията по проекта на ЦНИП сме ги направили безвъзмездно – за тях не се получават заплати или хонорари. Финансирането ще е насочено към закупуване на необходимото оборудване. Ще продължим да работим върху бетонните смеси, моделирането и оразмеряването. Надяваме се скоро да имаме и първата принтирана къща.

Далече ли ще е във времето?

Не мисля. Ако още утре някой каже, че има принтер или че има роботизирана ръка и друг, който проявява интерес и каже че може да ни съдейства с екструдера – той не би трябвало да струва толкова много – може да се осъществи. Ако има роботизирана ръка, нейният наем или работата с нея също не струва много. За закупуване на такова оборудване са нужни между 100 000 и 300 000 лв.

Оптимист сте?

Да. Нещата вървят в тази посока. Дигитализира се индустрията. Говорим за революция, за Индустрия 4.0, няма причина да няма Строителство 4.0, защото това е бъдещето. Общувам с много колеги от Франция, Великобритания, Дания, те всички работят по 3D принтиране в строителството. Характерното е, че всеки работи с материали и концепции, които са най-приложими за неговата страна. Например, китайците с 3D принтиране правят панели, които после сглобяват. Когато дискутирах с мои колеги архитекти дали у нас да не работим в това направление, те казаха, че у нас би било абсурдно, тъй като даже да има основания за панелното строителство, то е толкова компрометирано, че не искат да го правят. Така 3D принтирането ще се изроди, грубо казано, до принтиране на едни гаражни клетки, само че с 3D панели. Разсъждавахме върху много аспекти: дали да бъде сглобяемо с 3D елементи, дали да бъдат панели, дали да отиваме към принтиране на цяла сграда. Даже в момента не я принтираме по начина, по който тя ще се използва. Предстои да се изследват и монтажните й състояния, стои въпросът и с фундирането…Миналата година това беше един от акцентите на нашата работа – как трябва да се свърже 3D принтираната сграда с основите, защото тя не може (а може би – може:-) да е на балони.

Липсата на нужното финансиране да осъществим идеята си физически ни позволи да се съсредоточим върху проблеми, които биха възникнали, така или иначе, при самото принтиране.

Как ще обобщите трудностите?

Изпитвам известно неудобство да споделям проект, който не сме го завършили в пълния си вид, но си давам сметка, че много хора са привлечени от идеята за 3D принтирането, без да си дават сметка за редица тънкости, които са далече от фамозното. Изхождайки обаче от поговорката, че „дребните камъчета обръщат колата“, ние се опитваме да ги предвидим в голяма степен и да ги решим като проблеми преди да преминем към самото принтиране. Тук интересното е, че няма методики за моделиране, за изчисление, за оразмеряване – ние като пионери се сблъскваме с тях.  С нас работят студенти, което е много радващо. Една наша студентка – Виктория Минковска, която е по Еразъм в Милано, направи първия модел на къщата. Вероятно сега ще направим друг модел с друг колега студент…Младите хора са много ентусиазирани, но им липсва опит и познания.

Как виждате бъдещето?

Бъдещето е в дигитализацията на строителния сектор. Това не значи, че няма да има нужда от хора, защото всички тези машини – роботи, мелници, екструдери – за тях ще трябват хора, но с друга подготовка, с други познания, с други умения. Натам отиваме- към индустриализация в строителство.  Остава въпросът за устойчивото развитие – решенията, които взимаме, трябва да бъдат оправдани. Не бива да са самоцелни, даже и когато са технически осъществими. Например, ако 3D къщите са десет пъти по-скъпи от обикновените – това няма да проработи, ако ефектът от 3D принтирането е голям екологичен отпечатък, решенията също трябва да се преразгледат. Трябва да се търсят именно балансираните решения между социалните потребности, опазването на околната среда, икономическата жизнеспособност и техническата осъществимост на решенията.

{module [180]}