材料

科学家们将拆除后的垃圾回收成环保的3D可打印混凝土

基于科学家Swinburne Technology河北工业大学已设法将建筑废物转化为可持续的新型3D印刷材料。

利用可回收的混凝土骨料、陶粒颗粒和沙漠砂,该团队能够配制出一种低成本的可挤压建筑材料,有三种不同的颗粒级配。在最初的测试中,新型混凝土替代品展示了一种自我支撑的“骨骼”效应,潜在地使其具有在重型建筑应用中部署所需的强度和耐久性。

研究人员的3D印刷混凝土结构受到压缩测试。
科学家们的新型混凝土使具有增强夹层联锁的结构屈服。照片通过水泥和混凝土复合材料杂志。

拥抱环保建筑

尽管3D打印已经被用于建造任何东西97英尺长的人行桥时尚的具体的家具最近几周,常规材料继续限制该技术的施工潜力。一旦印刷,现有的水泥具有弱粘接和屈服结构,增强不足,这意味着3D打印通常在一次性低风险架构项目中部署。

然而,增材制造的灵活性也有其优势,并为开发新的环保型混凝土替代品提供了机会。混凝土是一种每吨产生超过70公斤二氧化碳的材料。在传统建筑材料中,超过一半的混合物由骨料构成,因此许多人尝试改用原始骨料,但这现在正成为自然资源的负担。

作为一种替代方案,科学家们现在已经将沙漠沙子与用于管理湖泊沉积物和爆破垃圾的陶粒结合起来,形成一种新型轻质混凝土替代品。考虑到只有不到5%的混凝土被回收利用,而且它经常被用于地砖和路面的生产,该团队的材料最终将有助于减少建筑行业更广泛的环境影响。

“每年产生的建筑垃圾占城市固体垃圾总量的一半;这威胁着城市环境,”科学家们在论文中解释道。“探索环保解决方案,对于解决自然资源短缺、生态环境严重恶化的问题具有重要意义。”

科学家3D不同水泥配方的三维重构。图像通过水泥和混凝土复合材料杂志。
科学家们的三种不同水泥配方的3D重建。图像通过水泥和混凝土复合材料杂志。

创造一个新型水泥替代品

在配方过程中,该团队将日常使用的波特兰水泥、硅灰和聚羧酸高效减水剂混合,生成三种不同粒径的水泥混合物。最初,科学家们发现,为了避免堵塞,聚合体的直径不应大于喷嘴直径的三分之一,而且0.3-2.36毫米的颗粒是不够的。

一旦团队确定了最佳混合物,它们就会部署了1.8米x 1.8m x 1.5 m龙门3D打印机,以构建三层300mm长的测试结构。其中一个模型,其由连续致密的分级材料构成,表现出特别低的流动性,这导致它表现出“骨骼”效应和高屈服应力水平。

另外,研究人员最强的配方能够承受91N的负载,其再循环的混凝土含量用于增加每层之间的表面积,改善粘附性。然而,所有三种混合物也在前24小时内显示出高水平的收缩,其含有最低的陶瓷材料受影响最差。

研究人员的结论是,添加更多的骨料可以帮助缓解水泥基质的收缩,但他们也承认,需要进一步的研发来防止潜在的裂缝。因此,该团队的环保材料仍在开发中,尽管在早期测试中显示出令人鼓舞的流动性、机械性能和附着力。

增强水泥配方

在去年,在优化的混凝土材料的发展中取得了重大进展,即加强机械性能的产量结构。科学家们涂代尔夫特例如,创建了一个水泥煅烧面膜泥这是专门为3D打印设计的,具有更高的流动一致性和可建造性。

同样,来自的研究员Swinburne Technology正在与法国建筑公司合作布依格减速公众帮助它理解其材料的抗压强度。使用机器学习方法,团队最终瞄准对3D打印化合物的稳定性进行分类其中许多人在建筑业中广泛使用。

相比之下,科学家们加州大学伯克利分校采取了不同的方法来加强混凝土结构,通过合并3D打印聚合物晶格到建筑。轻质网格不仅减少了约33%的材料需求量,而且还提高了结构的承载能力。

研究人员的发现在他们的论文《3D打印环保混凝土包含未充分利用和废物固体作为骨料。“该研究由Gang Bai,Li Wang,Guowei Ma,Jay Sanjayan和Mingke Bai共同撰写。

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图片显示了一名研究人员的3D打印混凝土结构正在经受压缩测试。照片通过水泥和混凝土复合材料杂志。

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