vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2026-28-3-228-240IMGDKTvestniktgasu-2549Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSРазработка технологии монолитного теплоизоляционного заполнения в 3D-печатном строительствеMultilayer Insulation Technology in Additive Manufacturing in ConstructionЗакревскаяЛ. В.ZakrevskayaL. V.

Закревская Любовь Владимировна, канд. техн. наук, доцент

600000 , г. Владимир ул. Горького, 87

Lyubov V. Zakrevskaya, PhD, A/Professor

87, Gorky Ave., 600000, Vladimir

lvzak@mail.ruРепинаЕ. А.RepinaE. A.

Репина Елизавета Анатольевна, инженер-исследователь

600000 , г. Владимир ул. Горького, 87

Elizaveta A. Repina, Research Engineer

87, Gorky Ave., 600000, Vladimir

elizavetarepina64@gmail.comВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхРоссияVladimir State UniversityRussian Federation202616072026283228240Copyright © Закревская Л.В., Репина Е.А., 20262026Закревская Л.В., Репина Е.А.Zakrevskaya L.V., Repina E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/2549

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности и экологической безопасности в строительстве с внедрением технологий 3D-печати. В условиях важности утилизации растительных отходов особую значимость приобретает использование костры технической конопли как альтернативного теплоизоляционного материала для заполнения несъемной опалубки, что соответствует современным тенденциям «зеленого» строительства.Цель работы – изучение возможности использования костры технической конопли в роли органического заполнителя. Новизна исследования заключается в численном анализе теплового состояния стенового блока, выполненного по технологии 3D-печати, где несъемная опалубка из песчано-цементной смеси заполнена костробетоном. Проведена оценка теплопередачи при граничных условиях: температура окружающей среды на наружной поверхности −30 °С, на внутренней +20 °С.Результаты. Численный анализ нестационарных температурных режимов со скоростью изменения температуры 4 °С/ч на температурных интервалах [–25…–5 °С] показал высокую инерционность стенового блока. Проведенный численный анализ температурных деформаций и температурных напряжений стенового блока из костробетона в оболочке из песчано-цементной смеси при экстремальном температурном интервале по критериям второй теории прочности и гипотезе Мора для зон с максимальным уровнем напряжений показал, что минимальные значения запасов прочности (1,14–2,7) обеспечивают необходимую надежность блока для данного перепада температур по наружной и внутренней поверхностям, а для зон с максимальным уровнем температурных напряжений выявил, что минимальные значения запасов прочности (1,23–2,5) обеспечивают необходимую надежность блока на нестационарных температурных режимах.Показана перспективность применения костробетона в качестве теплоизоляционного материала для 3D-печатного строительства, что способствует снижению энергопотребления зданий и расширяет возможности использования возобновляемого растительного сырья в строительной индустрии.

The relevance is determined by the need to enhance the energy efficiency and environmental safety in construction through the implementation of 3D printing. Given the necessity for the disposal of plant waste, the use of hemp scutch as alternative thermal insulation for filling a dead formwork becomes particularly significant, aligning with modern trends in green construction.

Purpose

Purpose: The aim of this work is to investigate the feasibility of using hemp scutch as an organic filler. The heat transfer was analyzed under the boundary conditions, i.e., ambient temperature on the outer (–30 °C) and inner (20 °C) surfaces.

Research findings

Research findings: The numerical analysis at a temperature change rate of 4 °C/hour within –25 to –5 °C shows a high inertia of the wall element. The numerical analysis is conducted for temperature strain and stress in the hemp scutch wall element with a sand-cement mixture shell under extreme temperatures. It is based on the maximum-strain of failure and Mohr–Coulomb theories for zones with maximum stress levels and shows that the lowest safety margins (1.14–2.7) provide the required reliability of the wall element for this temperature differential across the outer and inner surfaces. The lowest safety margins (1.23–2.5) for zones with maximum thermal stress levels provide the required reliability at transient temperatures.

Originality/value

Originality/value: The hempcrete potential is show for using it as a thermal insulation material in 3D printing, contributing to reduced energy consumption of buildings and expanding the use of renewable plant materials in the construction industry. The numerical analysis of the thermal state of the wall element obtained by 3D printing, where a dead formwork made of sandcement mixture is filled with hempcrete.

аддитивные технологии3D-печатьтеплоизоляциякостробетоннесъемная опалубкаорганический заполнительсмешанное вяжущеетеория Мораметод конечных элементовadditive manufacturing3D printingthermal insulationhempcretedead formworkorganic fillermixed binderMohr–Coulomb theoryfinite element methodработа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2024-0004, госзадание ВлГУ).Research was carried out under the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Line FZUN-2024-0004).ReferencesМустафин, Н.Ш., Барышников, А.А. Новейшие технологии в строительстве. 3D-принтер // Региональное развитие. 2015. № 8. С. 13. EDN: VLJYDBMustafin, N.S., Baryshnikov, A.A. The Latest Technologies in Construction. 3D printer. Regional'noe razvitie. 2015; (8): 13. EDN: VLJYDB (In Russian)Симакова, Е.А., Селякова, К.И., Кравченко, Д. Применение 3D-печати в строительстве // Инженерные исследования. 2021 № 1 (1). С. 3–11. EDN: QZZTUTSimakova, E.A., Selyakova, K.I., Kravchenko, D. 3D Printing in Construction. Inzhenernye issledovaniya. 2021; 1(1): 3–11. EDN: QZZTUT (In Russian)Иноземцев, А.С., Королев, Е.В., Зыонг, Тхань Куй. Анализ существующих технологических решений 3D-печати в строительстве // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 7 (118). С. 863–876. DOI: 10.22227/19970935.2018.7.863-876Inozemtsev, A.S., Korolev, E.V., Zuong Thanh, Kui. Analysis of 3D Printing Techniques in Construction. Vestnik MGSU. 2018; 13(7 (118)): 863–876. DOI: 10.22227/19970935.2018.7.863-876 (In Russian)Грахов, В.П, Мохначев, С.А., Бороздов, О.В. Влияние развития 3D-технологий на экономику строительства // Фундаментальные исследования. 2014. № 11–12. С. 2673–2676. EDN: TPPFTBGrakhov, V.P., Mokhnachev, S.A., Borozdov, O.V. Influence of 3D Printing Techniques on Construction Economy. Fundamental'nye issledovaniya. 2014; (11–12): 2673–2676. (In Russian)Labonnote, N., Rønnquist, A., Manum, B., Rüther, P. Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities // Automation in Construction. 2016. V. 72. http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.026Labonnote, N., et al. Additive Construction: State-of-the-art, Challenges and Opportunities. Automation in Construction, 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.026Mazur, K.E., Wardal, W.J., Barwicki, J., Tseyko, M. Thermal Insulation of Agricultural Buildings Using Different Biomass Materials // Energies. 2025. V. 18. № 3. P. 636. https://doi.org/10.3390/en18030636Mazur, K.E., Wardal, W.J., Barwicki, J., Tseyko, M. Thermal Insulation of Agricultural Buildings using Different Biomass Materials. Energies 2025; 18, 636. https://doi.org/10.3390/en18030636Бондарев, Б.А., Баязов, В.А., Корнеев, О.О., Востриков, И.А., Мещеряков, А.А., Корнеева, А.О. Подбор составов смесей для 3D-печати // Вестник Евразийской науки. 2021. Т. 13. № 3. DOI: 10.15862/29SAVN321. EDN: HCYDCGBondarev, B.A., Bayazov, V.A., Korneev, O.O., Vostrikov, I.A., Meshcheryakov, A.A., Korneeva, A.O. Mixtures for 3D Printing. Vestnik Evraziiskoi nauki. 2021; 13(3). DOI: 10.15862/29SAVN321. EDN: HCYDCG (In Russian)Толстова, Ю.И. Основы строительной теплофизики: учеб. пособие. Екатеринбург : Изд-во Уральского университета, 2014. 106 с. ISBN 978-5-7996-1131-6.Tolstova, Yu.I. Fundamentals of Building Thermophysics. Yekaterinburg, 2014. 106 p. ISBN 978-5-7996-1131-6. (In Russian)Bardouh, R., Toussaint, E., Amziane, S., Sandrine Marceau. Evaluating the Mechanical Performance of Bio-Based Concrete: The Role of Aggregate Type and Orientation in Compression Cyclic Loading // Cleaner Engineering and Technology. 2026. V. 30. P. 101–139. DOI: 10.1016/j.clet.2025.101139Bardouh R., Toussaint, E., Amziane, S., Sandrine Marceau. Evaluating the Mechanical Performance of Bio-Based Concrete: The Role of Aggregate Type and Orientation in Compression Cyclic Loading. Cleaner Engineering and Technology. 2026; 30: 101–139. DOI: 10.1016/j.clet.2025.101139Barnat-Hunek, D., Smarzewski, P., Brzyski, P. Properties of Hemp–Flax Composites for Use in the Building Industry // Journal of Natural Fibers. V. 14. № 3. 2017. P. 410–425. https://doi.org/10.1080/15440478.2016.1212764Barnat-Hunek, D., Smarzewski, P., Brzyski, P. Properties of Hemp–Flax Composites for use in the Building Industry. Journal of Natural Fibers. 2017; 14(3): 410–425. https://doi.org/10.1080/ 5440478.2016.1212764Leclerc, W., Moudhaffar, N., Nguyen, DM., Promis, G., Perré, P., Tran Le, A.D. Determination of the thermophysical properties of hemp shives using a methodology combining X-ray nanotomography and FFT-based numerical simulation // International Journal of Heat and Mass Transfer. V. 251. 2025. P. 127–331. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127331Leclerc, W., Moudhaffar, N., Nguyen, DM., Promis, G., Perré, P., Tran Le, A.D. Determination of the Thermophysical Properties of Hempshives using a Methodology Combining X-ray Nanotomography and FFT-based Numerical Simulation. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2025; 251: 127–331 https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127331Król, A., Janowska-Renkas, E., Klementowski, I., Pochwała, S. University of Opole Thermal insulation properties of ecological hemp concrete modified with fly ash from the energy sector // Clean Techn Environ Policy. 2025. V. 27. № 12. P. 8225–8233. https://doi.org/10.1007/s10098-025-03225-6Król, A., Janowska-Renkas, E., Klementowski, I., et al. Thermal Insulation Properties of Ecological Hemp Concrete Modified with Fly Ash from the Energy Sector. Clean Techn Environment Policy. 2025; 27: 8225–8233, https://doi.org/10.1007/s10098-025-03225-6Gencel, O., Güler, O., Ustaoğlu, A., Erdoğmuş, E., Sarı, A., Hekimoğlu, G., Boztoprak, Y., Subaşı, S. Characteristics of cement-based thermo-concretes containing capric acid impregnated hemp for thermal energy storage and sound isolation in buildings // Energy. 2025. V. 329. Art. 136837. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136837Osman, Gencel, Onur, Güler, Abid, Ustaoğlu, Ertuğrul, Erdoğmuş, Ahmet, Sarı, Gökhan, Hekimoğlu, Yalçın, Boztoprak, Serkan, Subaşı. Characteristics of Cement-Based Thermo-Concretes Containing Capric Acid Impregnated Hemp for Thermal Energy Storage and Sound Isolation in Buildings. Energy. 2025; 329: 136837, https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136837Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. 2-е изд. перераб. и доп. Ленинград : Стройиздат, 1990. 415 с.Nanazashvili, I.H. Building Materials Made of Wood-Cement Composition. 2nd edn. Moscow: Stroyizdat, 1990. 415 p. (In Russian)Пилипенко, Н.В. Тепловые потери и энергетическая эффективность зданий и сооружений. Санкт-Петербург : Университет ИТМО, 2016. 54 с.Pilipenko, N.V. Heat Losses and Energy Efficiency of Buildings. Saint-Petersburg. 2016. 54 p. (In Russian)Бодров, В.И., Бодров, М.В., Бодрова, В.Ф., Кузин, В.Ю. Строительная теплофизика. Нижний Новгород : ННГАСУ, 2015. 156 с. ISBN 978-5-528-00064-0.Bodrov, V.I., Bodrov, M.V., Bodrova, V.F., Kuzin, V.Yu. Construction Thermophysics. Nizhny Novgorod, 2015. 156 p. ISBN 978-5-528-00064-0. (In Russian)Бухмиров, В.В., Ракутина, Д.В., Солнышкова, Ю.С. Справочные материалы для решения задач по курсу «Тепломассообмен». Иваново : [Б. и.], 2009. 102 с.Bukhmirov, V.V., Rakutina, D.V., Solnyshkova, Yu.S. Reference Materials for Solving Problems in the Course "Heat and mass transfer". Ivanovo, 2009. 102 p. (in Russian)Леонович, С.Н., Литвиновский, Д.А., Чернякевич, О.Ю., Степанова, А.В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях. В 2 частях. Часть 1. Минск : БНТУ, 2016. 393 с. ISBN 978-985-550-776-6.Leonovich, S.N. (Ed.), Litvinovsky, D.A., Chernyakevich, O.Yu., Stepanova, A.V. Strength, Crack Resistance and Durability of Structural Concrete under Temperature and Corrosion Influences. Minsk, 2016. 393 p. ISBN 978-985-550-776-6 (Part 1). (In Russian)Щербань, Е.М., Стельмах, С.А., Ванян, С.С., Евсюков, К.К., Зарецкий, А.В., Коржаева, Е.Э. Особенности изменения прочностных и деформативных характеристик обычного и модифицированного центрифугированных бетонов при циклическом замораживании и оттаивании // Вестник Евразийской науки. 2019. № 6. URL: https://esj.today/PDF/62SAVN619.pdf (дата обращения: 20.11.2025).Shcherban, E.M., Stelmakh, S.A., Vanyan, S.S., Evsyukov, K.K., Zaretsky, A.V., Korzhaeva, E.E. Stress-Strain Characteristics of Conventional and Modified Centrifuged Concrete during Cyclic Freezing and Thawing. Vestnik Evraziiskoi nauki. 2019; (6). Available: https://esj.today/PDF/62SAVN619.pdf (accessed November 20, 2025). (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.