Исследователи из Берлинского технического университета (TU Berlin) и Университета Брунеля придумали, как превратить бетон, напечатанный 3D-печатью, в более прочный и экологичный строительный материал.
Частично заменив песок в портландцементе, используемом для изготовления бетона, переработанным стеклом, известняком и пластиковыми наполнителями, группа исследователей смогла значительно повысить его прочность и теплопроводность. Уже применив свой новый материал для 3D-печати кусков стен, инженеры утверждают, что при дальнейших исследованиях и разработках его можно будет использовать для возведения зданий будущего с улучшенной теплоизоляцией.
Огромные объемы природного песка в настоящее время используются для удовлетворения ненасытного мирового аппетита к бетону, что наносит огромный ущерб окружающей среде", - сообщили исследователи изданию The Conversation. "Наше новое исследование предлагает способ уменьшить это воздействие. Наше исследование показывает, что сверхлегкие, хорошо изолированные 3D-здания возможны - то, что может стать жизненно важным шагом на пути к чистому нулю.
Повышение устойчивости бетона
Как правило, бетон изготавливается из смеси цемента, воды и заполнителей, таких как песок, но последний часто добывается нерационально из русел рек и пляжей. Более того, по словам исследователей, для обеспечения достаточной текучести и пригодности цемента для 3D-печати в него часто добавляют большое количество дорогих примесей, что повышает стоимость любых конструкций, используемых для строительства.
Для борьбы с этими недостатками было проведено значительное количество исследований по замене связующего вещества в цементе различными наполнителями или природными заполнителями. Например, в 2020 году команда из Университета Тунцзи доказала возможность добавления в цемент песка, извлеченного из снесенных зданий, без ущерба для его печатных свойств, хотя и ценой модификаций, влияющих на его обрабатываемость.
Аналогичным образом, инженеры Сингапурского университета NTU ранее продемонстрировали эффективность добавления в бетон отработанного стекла, обнаружив, что это улучшает текучесть материала, но смесь по-прежнему демонстрирует слабую удобоукладываемость во время практических испытаний.
Вдохновившись этими подходами, англо-немецкая команда взяла переработанные стеклянные бутылки, измельчила их, промыла, высушила, измельчила и просеяла, после чего смешала их с бетоном. Инженеры также добавили в смесь известняк и крошечные пластиковые шары в дозированных количествах, которые призваны действовать как устойчивые связующие вещества, позволяющие создавать конструкции с улучшенными тепловыми свойствами.
Лучшая теплоизоляция зданий будущего
Вначале исследователи составили шесть различных бетонных смесей, каждая из которых состояла от 50 до 100% заполнителя из стеклянных отходов, а затем напечатали их на 3D принтере в виде образцов размером 40 x 40 x 160 мм. Интересно, что при этом команда обнаружила, что все смеси обладают текучестью, необходимой для сохранения формы после печати, но тем из них, которые содержали микросферы, потребовалось гораздо больше времени для придания формы.
При этом инженеры также обнаружили, что интеграция этих легких наполнителей в материал позволила создать образцы с теплопроводностью на 40% ниже, чем у традиционного бетона для 3D-печати, а испытания на прочность при сжатии показали, что их прочностные характеристики фактически увеличивались по мере увеличения количества отходов стекла.
Учитывая преимущества изоляции как средства снижения необходимости постоянно нагревать и охлаждать здания, команда считает свой материал идеальным для строительства будущей низкоуглеродной инфраструктуры. Исследователи также считают, что их бетон может раскрыть потенциал строительной 3D-печати - технологии, которая, по их мнению, имеет свои собственные преимущества с точки зрения устойчивости.
Используя технологию 3D-печати, мы можем разработать конструкцию стены на компьютере, преобразовать ее в простой код и отправить на 3D-принтер для строительства", - заключили исследователи. "3D-принтеры могут работать 24 часа в сутки, уменьшают количество производимых отходов, а также повышают безопасность строителей
Поскольку 3D-печать бетона продолжает продвигаться в направлении капитального строительства, внимание как первых лидеров рынка, так и исследователей начало переходить к совершенствованию материалов, лежащих в основе технологии. Как и англо-германские исследователи, команда из Университета RMIT в прошлом году попробовала добавить в бетон переработанное стекло и обнаружила, что полученные материалы обладают сильными круговыми характеристиками.
Сотрудничая с COBOD, специалист по строительным материалам CEMEX также разработал способ сделать обычный бетон пригодным для 3D-печати и, возможно, повысить доступность технологии. Интегрируя свою добавку D.fab в обычный бетон, компания разработала материал, который, как утверждается, "мгновенно приобретает форму", что позволяет значительно сократить время и стоимость строительства.
Выводы исследователей подробно изложены в работе под названием "3D-печатные легкие цементные композиты с включением отработанных стеклянных заполнителей и расширенных микросфер - реологические, тепловые и механические свойства". Соавторами исследования выступили Карла Куэвас, Мехди Чуган, Фальк Мартин, Сейед Хамидреза Гаффар, Дитмар Стефан и Павел Сикора.
#additive manufacturing #аддитивное производство #3d печать #строительство