3-D-print af grønnere bygninger ved hjælp af lokal jord

Byggebranchen står i øjeblikket over for to store udfordringer:efterspørgslen efter bæredygtig infrastruktur og behovet for at reparere forringede bygninger, broer og veje. Mens beton er det foretrukne materiale til mange byggeprojekter, det har et stort CO2-fodaftryk, resulterer i store spild- og energiforbrug. I dag, forskere rapporterer fremskridt hen imod et bæredygtigt byggemateriale fremstillet af lokal jord, bruge en 3-D printer til at skabe en bærende struktur.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Byggebranchens miljøpåvirkning er et spørgsmål, der giver stigende bekymring, " siger Sarbajit Banerjee, Ph.D., projektets hovedefterforsker. "Nogle forskere har vendt sig til additiv fremstilling, eller bygningskonstruktioner lag for lag, hvilket ofte gøres med en 3-D printer. Dette fremskridt er begyndt at transformere denne sektor med hensyn til at reducere affald, men de materialer, der bruges i processen, skal også være bæredygtige."

For eksempel, byggeprojekter med ekstruderede lag af beton har fremhævet potentialet i additiv fremstilling til bygningskonstruktioner hurtigt og billigt. Imidlertid, betonfremstilling er ansvarlig for cirka 7 % af kuldioxidemissionerne ifølge Det Internationale Energiagentur, og kan ikke genbruges.

"Historisk set, mennesker plejede at bygge med lokale materialer, såsom adobe, men overgangen til beton har rejst mange miljøproblemer, " siger Aayushi Bajpayee, en kandidatstuderende i Banerjees laboratorium ved Texas A&M University. Hun præsenterer arbejdet på mødet. "Vores tanke var at skrue tiden tilbage og finde en måde at tilpasse materialer fra vores egne baghaver som en potentiel erstatning for beton."

En fordel ved at bruge lokal jord i byggeriet er, at materialerne ikke skal fremstilles og transporteres til byggepladsen, reducere både omkostninger og miljøskader. Banerjee og Bajpayee siger også, at additiv fremstilling med jord en dag kan bruges uden for Jorden, at skabe bosættelser på månen eller endda Mars.

Jord er typisk klassificeret efter de lag af materialer, den omfatter, begyndende med det øverste organiske lag, hvor planter vokser og slutter ved jordskorpens hårde grundfjeld. Under det oprindelige organiske lag er ler, som giver jorden sin plastik, formbar karakter, som forskerne udnyttede i deres projekt.

Forskerne startede med at indsamle jordprøver fra en kollegas baghave og skræddersy materialet med et nyt miljøvenligt tilsætningsstof, så det kunne bindes sammen og nemt kunne ekstruderes gennem 3-D-printeren. Fordi jordbunden varierer meget fra sted til sted, deres mål var at have et kemi "værktøjssæt", der kunne omdanne enhver form for jord til printbart byggemateriale. Derfra byggede Bajpayee teststrukturer i lille skala, terninger, der måler to tommer på hver side, for at se, hvordan materialet klarede sig, når det blev ekstruderet i stablede lag.

Det næste trin var at sikre, at blandingen er bærende, hvilket betyder, at det vil tåle vægten af ​​lagene, men også andre materialer, der bruges i byggeriet, såsom armeringsjern og isolering. For at hjælpe med dette, forskerne styrkede lerblandingen ved at "lukke" de mikroskopiske lag på overfladen for at forhindre, at den absorberer vand og udvider sig, hvilket ville kompromittere den trykte struktur. Med denne metode, forskerne viste, at materialet kunne holde dobbelt så meget som den umodificerede lerblanding.

Næste, holdet planlægger at forbedre jordens bæreevne for at opskalere deres teststrukturer og komme så tæt på en erstatning for beton som muligt. Ud over, de indsamler data for at se, om disse 3D-printede strukturer er så miljøvenlige, som de forestiller sig, især med hensyn til CO2-fodaftryk og genanvendelsespotentiale. Når de har et bedre billede af kemien, funktionalitet og gennemførlighed af at bygge med lokal jord, de planlægger at udforske, hvordan denne teknologi kan bruges ud over vores egen planet.