碎玻璃有大用處！研究人員利用回收的玻璃開(kāi)發(fā)新的生態(tài)友好型3D打印混凝土

導(dǎo)讀：傳統(tǒng)的混凝土配方往往依賴(lài)天然河沙作為主要成分，但這種資源正逐漸成為一種稀缺商品，它的使用往往會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響。所以，科學(xué)家一直在嘗試尋找天然河沙的替代材料，以實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

南極熊獲悉，皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的生態(tài)友好型3D打印混凝土材料，這種材料用的特殊之處在于它是使用回收的玻璃作為骨料。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過(guò)選擇使用回收的玻璃顆粒作為河沙替代物，可以在建筑領(lǐng)域宣傳循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，將3D打印和可持續(xù)混凝土生產(chǎn)的好處聯(lián)系起來(lái)。

有趣的是，該團(tuán)隊(duì)還調(diào)查了玻璃顆粒對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度和裂縫擴(kuò)展特性的影響。他們確定，憑借3D打印的技術(shù)路線(xiàn)，這種新型配方實(shí)際上也可以提供機(jī)械性能方面的好處。

△皇家墨爾本理工大學(xué)的3D打印混凝土結(jié)構(gòu)--90°的交叉刻畫(huà)角度。照片來(lái)自RMIT大學(xué)。

用回收的玻璃代替河沙

混凝土的制造需要波特蘭水泥、水和一些骨料的混合物，如沙子和礫石。骨料是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈冏鳛榛炷�土混合物的粘合劑。沒(méi)有它們，水基水泥混合物就不能很好地保持，不適合建筑應(yīng)用。骨料還可以作為混合料的填充物，減少混凝土的孔隙率，使產(chǎn)品更堅(jiān)固。

建筑中最廣泛使用的骨料之一是天然河沙，它是從河床和河岸上提取的。雖然它在市場(chǎng)上很容易買(mǎi)到，但過(guò)度使用河沙會(huì)對(duì)生活在河流中和周?chē)�的�?dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極其有害的影響。

皇家墨爾本理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種混凝土3D打印方法的可持續(xù)發(fā)展理念體現(xiàn)在使用回收的玻璃來(lái)代替，因?yàn)椴ＡУ幕瘜W(xué)成分和物理特性與原砂沒(méi)有太大區(qū)別。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的數(shù)據(jù)，我們?nèi)祟?lèi)每年會(huì)產(chǎn)出數(shù)百萬(wàn)噸的玻璃廢料，在建筑領(lǐng)域重新利用其中的一部分可以大大減少垃圾填埋場(chǎng)的廢料。

△傳統(tǒng)的混凝土混合料如果要用于承重應(yīng)用，就需要用礫石和沙子作為骨料。照片來(lái)自Parklea Sand and Soil。

玻璃含量對(duì)混凝土性能的影響

那么，皇家墨爾本理工大學(xué)的玻璃基混合物與傳統(tǒng)混凝土相比如何？該團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備了五種不同的玻璃填充混合物，玻璃與沙子的比例各不相同，并使用每種配方3D打印了一組混凝土測(cè)試樣本。

這些結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度是通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)表征的，而X射線(xiàn)微型計(jì)算機(jī)斷層掃描和掃描電子顯微鏡（SEM）被用來(lái)評(píng)估試樣的微觀結(jié)構(gòu)。這使得研究小組能夠分析測(cè)試后試樣中的孔隙大小分布和裂紋傳播途徑。

結(jié)果顯示，回收玻璃顆粒的整合增加了3D打印樣品的孔隙率。這在使用粗玻璃顆粒時(shí)比細(xì)玻璃顆粒更明顯。使用X射線(xiàn)成像，研究人員能夠表明，裂紋傳播的主要成分是空隙中存在的玻璃顆粒。

盡管如此，添加玻璃顆粒后，3D打印樣品的抗彎強(qiáng)度實(shí)際上增加了25%至33%，但只有當(dāng)橫梁跨度與打印方向垂直時(shí)才會(huì)增加。當(dāng)梁的跨度和打印方向平行時(shí)，玻璃顆粒被發(fā)現(xiàn)會(huì)使抗彎強(qiáng)度降低8%至20%。

因此，該大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)確定，只要仔細(xì)控制打印方向，回收的玻璃可以作為河沙的合適替代品，用于可持續(xù)混凝土3D打印。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "3D-printed concretewith recycled glass: Effect of glass gradation on flexural strength andmicrostructure"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0950061821032992?via%3Dihub

△填充玻璃顆粒的3D打印混凝土的SEM成像。圖片來(lái)自皇家墨爾本理工大學(xué)。

今年早些時(shí)候，位于斯威本科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)類(lèi)似的研究，將建筑垃圾轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的3D打印混凝土。使用回收的混凝土骨料、陶瓷顆粒和沙漠沙子，該團(tuán)隊(duì)能夠以三種不同的顆粒等級(jí)配制出一種低成本的可擠壓建筑材料。

在其他地方，同濟(jì)大學(xué)的研究人員最近發(fā)表了一項(xiàng)研究結(jié)果，探索在3D砂漿打印中使用再生細(xì)骨料（RFA）的可行性。該研究試圖更準(zhǔn)確地了解3D混凝土打印的可建性，以及使用回收和廢棄材料對(duì)制造的結(jié)構(gòu)有何影響。