傳統(tǒng)的混凝土配方往往依賴天然河砂作為主要成分，但這種資源正逐漸成為一種稀缺商品，它的使用往往會對環(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砂的替代材料，以實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開發(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)隊認(rèn)為，通過選擇使用回收的玻璃顆粒作為河砂替代物，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。有趣的是，該團(tuán)隊還調(diào)查了玻璃顆粒對混凝土抗彎強度和裂縫擴(kuò)展特性的影響。他們確定，憑借3D打印的技術(shù)路線，這種新型配方實際上也可以提供機(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°的交叉刻畫角度。照片來自RMIT大學(xué)。
用回收的玻璃代替河砂
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，因為它們作為混凝土混合物的粘合劑。沒有它們，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)品更堅固。
建筑中最廣泛使用的骨料之一是天然河砂，它是從河床和河岸上提取的。雖然它在市場上很容易買到，但過度使用河砂會對生活在河流中和周圍的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極其有害的影響?；始夷珷柋纠砉ご髮W(xué)的團(tuán)隊認(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代替，因為玻璃的化學(xué)成分和物理特性與原砂沒有太大區(qū)別。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的數(shù)據(jù)，我們?nèi)祟惷磕陼a(chǎn)出數(shù)百萬噸的玻璃廢料，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。照片來自Parklea Sand and Soil。
玻璃含量對混凝土性能的影響
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試樣本。這些結(jié)構(gòu)的抗彎強度是通過三點彎曲試驗來表征的，而X射線微型計算機(jī)斷層掃描和掃描電子顯微鏡（SEM）被用來評估試樣的微觀結(jié)構(gòu)。這使得研究小組能夠分析測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比細(xì)玻璃顆粒更明顯。使用X射線成像，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打印樣品的抗彎強度實際上增加了25%至33%，但只有當(dāng)橫梁跨度與打印方向垂直時才會增加。當(dāng)梁的跨度和打印方向平行時，玻璃顆粒被發(fā)現(xiàn)會使抗彎強度降低8%至20%。因此，該大學(xué)的研究團(tuán)隊確定，只要仔細(xì)控制打印方向，回收的玻璃可以作為河砂的合適替代品，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。圖片來自皇家墨爾本理工大學(xué)。
今年早些時候，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)行了一項類似的研究，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)隊能夠以三種不同的顆粒等級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制造的結(jié)構(gòu)有何影響。
