Использование геополимерной 3D-печати для строительных изделий в последние годы было исключительно значительным из-за их низких выбросов углекислого газа, высоких эксплуатационных свойств, таких как долговечность, и хороших термических и механических свойств. Этот автоматизированный производственный процесс снижает потребность в дополнительной опалубке, капитальных вложениях и человеческих ресурсах. Развитие геополимерной 3D-печати происходит из-за ее широкого использования в строительстве. Однако высокая стоимость начальных этапов производства геополимеров и 3D-печати тормозила развитие этой технологии во многих странах. Это исследование представляет собой комплексную экономическую оценку инвестиций для каждого основного этапа, что способствует более эффективному использованию ресурсов. В исследовании были изучены все этапы производства геополимеров, от добычи сырья до печати. Были проанализированы затраты на четыре основных этапа, а именно наличие и транспортировка сырья, предварительная обработка сырья, выбор параметров и требования к прочности, а также печать на заводах и на строительных площадках. Результаты показывают, что 3D-печать геополимера на строительной площадке экономически более выгодна по сравнению с печатью на заводе. Исследование также подтвердило, что стоимость транспортировки сырья имеет наименьшее влияние на стоимость готового продукта, в то время как предварительная обработка сырья и параметры смешивания существенно влияют на конечную стоимость продукта. Наконец, исследовательская работа подтвердила необходимость решения будущих задач, чтобы сделать геополимерную 3D-печать жизнеспособным подходом к строительству.
Ключевые слова: геополимеры, анализ затрат, предварительная обработка, 3D-печать, строительная площадка, заводская площадка.
Строительная отрасль сталкивается со многими препятствиями в производственных затратах. Избыточное количество одноразовых отходов образуется при использовании обычных опалубок (временных конструкций, облегчающих формование бетона желаемой формы), в то время как более высокая стоимость производства многоразовых опалубок ограничивает их адаптацию в промышленности [1, 2]. Традиционные методы строительства имеют ограничения, связанные с геометрически сложными формами и недостаточной точностью изготовления [3, 4]. Строительная промышленность использует значительное количество природных ресурсов, таких как песок, глина, известняк (основной компонент цемента), камень и гравий. Рост глобальной урбанизации и мирового населения увеличил спрос на строительные материалы [5]. Наибольшее количество отходов в России образуется в строительной отрасли (36 %), а также в горнодобывающей промышленности и разработке карьеров (26,2 %) [6]. Улучшение строительных процедур и использование экологически чистых продуктов являются ключевыми соображениями, которые тесно связаны с предотвращением отходов.
Бетон является наиболее широко используемым материалом во всем мире в строительной индустрии. Высокая стоимость, избыточное образование отходов, неэкологичные материалы и способы производства бетона являются доминирующими проблемами в строительной деятельности. Весь подход к строительству, включая транспортировку материалов, выбор параметров, требования к прочности, изготовление, сборку и установку за пределами объекта, рассеивает огромное количество энергии и парниковых газов. Для изготовления обычного бетона наиболее важным элементом является обычный портландцемент (OPC), который является высокоуглеродистым и энергоемким материалом. Увеличение спроса на цемент в строительной отрасли привело к выбросам CO2 в размере почти 1599 млн т в 2020 г. Устойчивое использование отходов, образующихся в качестве побочных продуктов в различных отраслях промышленности, может стать альтернативой портландцементу. Использование многоразовых экологически чистых материалов для сохранения сырья — это то, что требует нынешняя эпоха.
Геополимеры известны как экологически чистые материалы для строительной индустрии, так как выбросы CO2 сокращаются почти на 80–90 % [1]. Asim et al. [4] показали, что рациональное использование материалов и экономичные, надежные производственные технологии в строительной отрасли повышают энергоэффективность, создают рабочие места и повышают конкурентоспособность. Согласно Abdollahnejad et al. [5], увеличение спроса на энергию во всем мире является основной причиной неустойчивого развития на нашей планете. Геополимерные бетоны (ГПБ), обладающие значительной кислотостойкостью [6], обладающая достаточной адгезией к стали и железу, считается жизнеспособной и экологически чистой заменой OPC. В конечном итоге энергия, необходимая для производства GPC, может быть на 43–59 % ниже по сравнению с OPC. Использование промышленных побочных продуктов для синтеза ГПХ приводит к созданию экономичного и устойчивого бетона. GPC обладает отличной термостойкостью, низкой проницаемостью и хорошими механическими свойствами, что привлекает все большее внимание в строительной отрасли. Геополимерная 3D-печать строительных изделий представляется перспективной технологией, которая снижает трудозатраты, снижает затраты на строительство и повышает уровень безопасности.
Геополимерная 3D-печать — одна из новых технологий, применяемых для точного создания каркасов с помощью цифрового дизайна. Аддитивное производство (АП) считается инновационной технологией, реализующей концепцию автоматизации строительства. AM — это быстрорастущий промышленный сектор, который имеет множество потенциальных преимуществ с точки зрения гибкости, эффективности, сокращения трудозатрат, строительства в суровых условиях, безопасности, геометрической гибкости и устойчивости в строительном секторе. В настоящее время в отрасли используются два разных 3D-принтера (с рамкой и без рамки). Принтеры в рамке, ограниченные трудностями при сборке вне фабрики и транспортировке, используются только внутри фабрик. Доступность и транспортировка сырья, предварительная обработка материалов, стоимость обработки и настройка каркаса являются основными факторами, влияющими на оптимизацию 3D-печати. Внедрение технологий 3D-печати может снизить затраты на 30–65 % в строительной отрасли [1].
Обычно строительство дома традиционным способом занимает месяцы. Традиционные подходы к строительству являются медленными и часто включают множество трудоемких этапов, таких как транспортировка, производство материалов, изготовление опалубки, спрос на рабочую силу и вопросы безопасности [2, 3, 4]. В традиционном процессе строительства опалубка может составлять 35–54 % от общей стоимости строительства и отнимать 50–75 % от общего времени строительства [4]. Мобильные строительные 3D-принтеры имеют экономический потенциал в качестве типографий. Конечная стоимость 3D-домов с геополимерной печатью напрямую зависит от доступности сырья, транспорта, методов предварительной обработки и выбора параметров. Хотя подтверждения практики 3D-печати GP в таких странах, как Финляндия, скудно в литературе, есть много стран, где эти методы достигли промышленных масштабов, например, «офис будущего», собранный в Дубае и напечатанный в Китае, напечатанный дом на канале в Амстердаме — печатный дом Apis Cor в России, пятиэтажное здание, напечатанное в Китае, и это лишь некоторые из них. Размер печатаемых изделий — одно из ограничений, связанных с 3D-печатью. Другими препятствиями на пути внедрения 3D-печати являются строительные нормы, ограничения в отношении цементирующих материалов для печати и требования к персоналу [5].
Технология трехмерной печати строительных изделий все еще находится на начальной стадии. Он становится популярным в строительном секторе во всем мире [2]. В 2020 году мировой рынок 3D-печати вырос на 21 % по сравнению с 2019 годом, оценочная стоимость которого составляет 12,6 миллиарда долларов. В последние годы были предприняты огромные усилия по внедрению геополимерных компаундов в цифровое производство. Voney et al. [4] обнаружили, что использование каменных отходов в качестве минеральных заполнителей с точки зрения точности печати не влияет на механическое поведение печатных материалов. Согласно Chauhan et al. [5], функционализация армированными поливиниловым спиртом волокнами и добавками наноглины улучшает прочностные характеристики (49 %) пригодных для печати геополимерных растворов. Точно так же Ли и др. [6], автоматизированное введение стального микрокабеля обеспечивает более высокую прочность сцепления (увеличение на 19 %), большую прочность на разрыв (увеличение на 82,5 %) по сравнению с неармированной конфигурацией и меньшее структурное воздействие неадекватных плоскостей между напечатанными слоями. Однако экономика геополимерной 3D-печати в промышленных масштабах является ключевым вопросом, который ограничивает распространение этого зеленого материала в промышленных масштабах. Фактически, в России геополимерная 3D-печать в строительной отрасли еще не запущена в коммерческую эксплуатацию, и либо в стране нет 3D-прототипа дома, напечатанного на ней, либо это официально не задокументировано. Это подтверждает интересный пробел в производстве, который требует серьезного рассмотрения для анализа экономики использования этой передовой технологии.
Литература:
- Алаев А. А., Козлов С. В., Малютин К. М., Петрова И. Т. Оценка социально-экономической эффективности инфраструктурных проектов // Финансовый журнал. 2019. № 4. С. 41–52.
- Безрукова И. В., Бессоев В.А и др. Инвестиции в России 2017. Стат.сб./Росстат. М., 2017. 188 с.
- Виленский П. Л., Ливишц В. Н., Смоляк С. А. Оценка эффективности инвестиционных проектов. Теория и практика. Дело, Академия народного хозяйства, 2018. 888 с.
- Глаголев С. Н., Дорошенко Ю. А., Моисеев В. В. Актуальные проблемы инвестиций и инноваций в современной России. Монография. М.: Директ-Медиа, 2019. 426 с.
- Склярова Ю. М., Скляров И. Ю., Латышева Л. А. Инвестиции. Ростов н/Д: Феникс, 2018, 349 с.
- Мансуров Р. Е. Основные подходы к формированию инвестиционной политики промышленного предприятия с целью повышения его конкурентоспособности. Маркетинг в России и за рубежом 2017. № 2. http://www.aup.ru/articles/investment/27.htm
