Разработка технологии монолитного теплоизоляционного заполнения в 3D-печатном строительстве

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.

1. Мустафин, Н.Ш., Барышников, А.А. Новейшие технологии в строительстве. 3D-принтер // Региональное развитие. 2015. № 8. С. 13. EDN: VLJYDB

2. Симакова, Е.А., Селякова, К.И., Кравченко, Д. Применение 3D-печати в строительстве // Инженерные исследования. 2021 № 1 (1). С. 3–11. EDN: QZZTUT

3. 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: 10.22227/19970935.2018.7.863-876

4. 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: TPPFTB

5. 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.2016.08.026

6. Mazur, 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/en18030636

7. Бондарев, 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: HCYDCG

8. Толстова, Ю.И. Основы строительной теплофизики: учеб. пособие. Екатеринбург : Изд-во Уральского университета, 2014. 106 с. ISBN 978-5-7996-1131-6.

9. 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.2025.101139

10. Barnat-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/10.1080/15440478.2016.1212764

11. Leclerc, 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.2025.127331

12. Król, 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/s10098-025-03225-6

13. Gencel, 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.2025.136837

14. Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. 2-е изд. перераб. и доп. Ленинград : Стройиздат, 1990. 415 с.

15. Пилипенко, Н.В. Тепловые потери и энергетическая эффективность зданий и сооружений. Санкт-Петербург : Университет ИТМО, 2016. 54 с.

16. 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.

17. Бухмиров, В.В., Ракутина, Д.В., Солнышкова, Ю.С. Справочные материалы для решения задач по курсу «Тепломассообмен». Иваново : [Б. и.], 2009. 102 с.

18. 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.

19. 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).