碎玻璃有大用处!研究人员利用回收的玻璃开发新的生态友好型3D打印混凝土

2021 年 12 月 06 日

传统的混凝土配方往往依赖天然河沙作为主要成分,但这种资源正逐渐成为一种稀缺商品,它的使用往往会对环境产生破坏性影响。所以,科学家一直在尝试寻找天然河沙的替代材料,以实现混凝土生产的可持续发展。
皇家墨尔本理工大学的研究人员开发了一种新的生态友好型3D打印混凝土材料,这种材料用的特殊之处在于它是使用回收的玻璃作为骨料。研究团队认为,通过选择使用回收的玻璃颗粒作为河沙替代物,可以在建筑领域宣传循环经济理念,将3D打印和可持续混凝土生产的好处联系起来。有趣的是,该团队还调查了玻璃颗粒对混凝土抗弯强度和裂缝扩展特性的影响。他们确定,凭借3D打印的技术路线,这种新型配方实际上也可以提供机械性能方面的好处。
皇家墨尔本理工大学的3D打印混凝土结构--90°的交叉刻画角度。照片来自RMIT大学。

用回收的玻璃代替河沙
混凝土的制造需要波特兰水泥、水和一些骨料的混合物,如沙子和砾石。骨料是至关重要的,因为它们作为混凝土混合物的粘合剂。没有它们,水基水泥混合物就不能很好地保持,不适合建筑应用。骨料还可以作为混合料的填充物,减少混凝土的孔隙率,使产品更坚固。建筑中最广泛使用的骨料之一是天然河沙,它是从河床和河岸上提取的。虽然它在市场上很容易买到,但过度使用河沙会对生活在河流中和周围的当地生态系统产生极其有害的影响。
皇家墨尔本理工大学的团队认为,这种混凝土3D打印方法的可持续发展理念体现在使用回收的玻璃来代替,因为玻璃的化学成分和物理特性与原砂没有太大区别。根据美国环境保护局的数据,我们人类每年会产出数百万吨的玻璃废料,在建筑领域重新利用其中的一部分可以大大减少垃圾填埋场的废料。

传统的混凝土混合料如果要用于承重应用,就需要用砾石和沙子作为骨料。照片来自Parklea Sand and Soil。

玻璃含量对混凝土性能的影响
那么,皇家墨尔本理工大学的玻璃基混合物与传统混凝土相比如何?该团队准备了五种不同的玻璃填充混合物,玻璃与沙子的比例各不相同,并使用每种配方3D打印了一组混凝土测试样本。这些结构的抗弯强度是通过三点弯曲试验来表征的,而X射线微型计算机断层扫描和扫描电子显微镜(SEM)被用来评估试样的微观结构。这使得研究小组能够分析测试后试样中的孔隙大小分布和裂纹传播途径。
结果显示,回收玻璃颗粒的整合增加了3D打印样品的孔隙率。这在使用粗玻璃颗粒时比细玻璃颗粒更明显。使用X射线成像,研究人员能够表明,裂纹传播的主要成分是空隙中存在的玻璃颗粒。
尽管如此,添加玻璃颗粒后,3D打印样品的抗弯强度实际上增加了25%至33%,但只有当横梁跨度与打印方向垂直时才会增加。当梁的跨度和打印方向平行时,玻璃颗粒被发现会使抗弯强度降低8%至20%。
因此,该大学的研究团队确定,只要仔细控制打印方向,回收的玻璃可以作为河沙的合适替代品,用于可持续混凝土3D打印
该研究的更多细节可以在题为 "3D-printed concretewith recycled glass: Effect of glass gradation on flexural strength andmicrostructure"的论文中找到。

相关论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0950061821032992?via%3Dihub

填充玻璃颗粒的3D打印混凝土的SEM成像。图片来自皇家墨尔本理工大学。

今年早些时候,位于斯威本科技大学和河北工业大学的科学家进行了一项类似的研究,将建筑垃圾转化为可持续的3D打印混凝土。使用回收的混凝土骨料、陶瓷颗粒和沙漠沙子,该团队能够以三种不同的颗粒等级配制出一种低成本的可挤压建筑材料。
在其他地方,同济大学的研究人员最近发表了一项研究结果,探索在3D砂浆打印中使用再生细骨料(RFA)的可行性。该研究试图更准确地了解3D混凝土打印的可建性,以及使用回收和废弃材料对制造的结构有何影响。


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