Волокна из сельскохозяйственных отходов повышают устойчивость 3D-печати бетона

Новое исследование изучает, как волокна из сельскохозяйственных отходов могут укрепить и стабилизировать 3D-печатный бетон, одновременно снижая экологические затраты на строительные материалы.

Результаты показывают, что небольшие добавки растительных волокон из отходов финиковой пальмы, банана, ананаса, кокоса и кукурузных початков могут сделать печатный бетон одновременно более экологичным и прочным, что является потенциальным прорывом для устойчивого аддитивного производства в архитектуре.

Баланс между печатностью и прочностью

3D-печать бетоном (3DCP) давно обещает снижение трудозатрат и свободу дизайна, но проблема экологичности материалов остаётся нерешённой. Бетон — один из крупнейших источников CO2 в мире из-за химических и термических требований к его производству.

Команда Babol армировала печатный бетон волокнами из биоотходов вместо синтетических или стальных аналогов. Они протестировали четыре объёмные доли, от 0,1% до 0,25%, и измерили влияние на текучесть, экструдируемость и механическую прочность.

Оптимальная смесь была найдена при содержании фибры 0,2%, при котором бетон сохранял работоспособность при экструзии, при этом значительно увеличивая прочность: прочность на сжатие была на 26%, прочность на растяжение – на 40%, а прочность на изгиб – на 20% выше, чем у неармированных смесей. Это извечная борьба 3DCP: прочность при экструзии против экструдируемости.

Волокна были получены из сельскохозяйственных отходов — очищены, высушены и нарезаны без химической обработки — для достижения минимального воздействия на окружающую среду. Хотя необработанные волокна впитывают больше воды, что потенциально снижает их долговечность, они остаются биоразлагаемыми и легкодоступными на местах. Такой подход может помочь развивающимся регионам использовать сельскохозяйственные отходы в качестве строительной арматуры вместо использования энергоёмких материалов.

Экспериментальный подход

Команда провела двухэтапную программу, сочетающую испытания материалов в малых масштабах и полномасштабные испытания печатных пучков. Используя принтер декартового типа с рабочим объёмом 1 × 0,8 × 0,8 м, исследователи экструдировали нити шириной 35 мм через сопло диаметром 40 мм с программным управлением осаждением. Они контролировали текучесть, стабильность слоёв и межслоевую адгезию с помощью процедур, согласованных со стандартом ASTM.

Ключевые показатели эффективности — разброс по таблице текучести, расстояние экструзии и наращиваемость — показали, как волокна взаимодействуют с реологией смеси. Текучесть снизилась примерно на 10% при оптимальном содержании волокон 0,2%, что является компромиссом для улучшения сохранения формы и уменьшения деформаций между напечатанными слоями.

Значительно улучшилась способность к формированию, что позволяет напечатанному раствору выдерживать вес, почти вдвое превышающий его собственный, прежде чем разрушиться, что является важной особенностью при многоэтажной печати.

Механические результаты

Механические испытания подтвердили, что растительные волокна помогают снизить трещинообразование и повысить пластичность. Испытания на прямое растяжение и выдергивание показали, что волокна финиковой пальмы и кокоса достигают наивысшей прочности сцепления благодаря своей шероховатой лигноцеллюлозной поверхности, которая улучшает фрикционное сцепление с цементной матрицей. Эти же волокна также обеспечивают наилучшие общие механические характеристики.

Испытания на изгиб печатных балок показали, что армирование волокнами значительно замедляет распространение трещин. Печатные балки, как правило, демонстрируют более высокую пластичность и энергопоглощение, чем литые аналоги, благодаря выравниванию волокон вдоль траектории печати.

Наилучший результат был получен при использовании 0,2% кукурузного волокна, что увеличило предел прочности на изгиб более чем на 40% по сравнению с другими типами волокон. Однако при содержании волокна свыше 0,25% качество печати ухудшалось из-за образования пустот в матрице.

Использование отходов волокон

В исследовании сделан вывод о том, что низкое содержание волокон из сельскохозяйственных отходов может улучшить эксплуатационные характеристики 3D-печатного бетона без ущерба для его пригодности к печати, что является важным шагом на пути к устойчивому крупномасштабному аддитивному строительству.

Ожидается, что дальнейшие работы будут сосредоточены на смесях гибридных волокон, химической обработке поверхности для повышения долговечности и интеграции дополнительных вяжущих материалов, таких как шлак и бентонит, для дальнейшего снижения спроса на клинкер.

Если этот подход будет проверен в масштабах строительства, он сможет превратить обычные отходы — от листьев ананаса до кокосовой скорлупы — в функциональную арматуру для печатных конструкций, замкнув цикл между сельским хозяйством и строительством.

источник

По вопросам 3d печати, 3d сканированию, обучению в Краснодаре писать сюда:

телеграм — https://t.me/fidller

max — https://max.ru/u/f9LHodD0cOIGiBB1zqbYHFbw7XCslKRI5o6aikK4IGNDZtFio4aCgGJ1gUQ

почта — shope@fidller.com

все о кино тут — https://news.fidller.com
наш магазин — https://fidller.com
мы в телеграм — https://t.me/fidller_com
группа 3д печати — https://vk.com/3d_krd_123
https://t.me/pechat3dkrd