De bouwsector staat momenteel voor twee grote uitdagingen:de vraag naar duurzame infrastructuur en de noodzaak om verslechterende gebouwen te herstellen, bruggen en wegen. Hoewel beton het materiaal bij uitstek is voor veel bouwprojecten, het heeft een grote ecologische voetafdruk, wat resulteert in een hoog afval- en energieverbruik. Vandaag, onderzoekers rapporteren vooruitgang in de richting van een duurzaam bouwmateriaal gemaakt van lokale bodem, een 3D-printer gebruiken om een ​​dragende structuur te creëren.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"De milieu-impact van de bouwsector is een punt van toenemende zorg, " zegt Sarbajit Banerjee, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project. "Sommige onderzoekers hebben zich tot additive manufacturing gewend, of laag voor laag structuren bouwen, wat vaak met een 3D-printer wordt gedaan. Die vooruitgang is begonnen deze sector te transformeren in termen van het verminderen van afval, maar de materialen die in het proces worden gebruikt, moeten ook duurzaam zijn."

Bijvoorbeeld, bouwprojecten waarbij gebruik wordt gemaakt van geëxtrudeerde betonlagen hebben het potentieel van additieve fabricage voor het snel en goedkoop bouwen van constructies aan het licht gebracht. Echter, betonproductie is verantwoordelijk voor ongeveer 7% van de kooldioxide-emissies volgens het International Energy Agency, en kan niet worden gerecycled.

"Historisch, mensen bouwden met lokaal geproduceerde materialen, zoals adobe, maar de overstap naar beton heeft veel milieuproblemen doen rijzen, " zegt Aayushi Bajpayee, een afgestudeerde student in het laboratorium van Banerjee aan de Texas A&M University. Ze presenteert het werk op de bijeenkomst. "Onze gedachte was om de klok terug te draaien en een manier te vinden om materialen uit onze eigen achtertuinen aan te passen als een potentiële vervanging voor beton."

Een voordeel van het gebruik van lokale grond in de bouw is dat de materialen niet hoeven te worden vervaardigd en getransporteerd naar de bouwplaats, het verminderen van zowel de kosten als de milieuschade. Banerjee en Bajpayee zeggen ook dat additieve productie met aarde ooit buiten de aarde zou kunnen worden gebruikt, om nederzettingen op de maan of zelfs op Mars te creëren.

Bodem wordt meestal geclassificeerd door de materiaallagen die het omvat, beginnend met de bovenste organische laag waar planten groeien en eindigend bij het harde gesteente van de aardkorst. Onder de oorspronkelijke organische laag bevindt zich klei, die de bodem zijn plastic geeft, vormbaar karakter waar de onderzoekers in hun project op inspeelden.

De onderzoekers begonnen met het verzamelen van grondmonsters uit de achtertuin van een collega en pasten het materiaal aan met een nieuw milieuvriendelijk additief zodat het aan elkaar zou binden en gemakkelijk door de 3D-printer zou worden geëxtrudeerd. Omdat bodems sterk verschillen per locatie, hun doel was om een ​​"toolkit" voor scheikunde te hebben die elk type bodem kon transformeren in bedrukbaar bouwmateriaal. Van daaruit bouwde Bajpayee kleinschalige teststructuren, kubussen van twee inch aan elke kant, om te zien hoe het materiaal presteerde toen het in gestapelde lagen werd geëxtrudeerd.

De volgende stap was ervoor te zorgen dat het mengsel draagkrachtig is, wat betekent dat het bestand is tegen het gewicht van de lagen, maar ook tegen andere materialen die in de bouw worden gebruikt, zoals wapening en isolatie. Om hierbij te helpen, de onderzoekers versterkten het kleimengsel door de microscopisch kleine lagen op het oppervlak te "ritsen" om te voorkomen dat het water zou absorberen en uitzetten, wat de gedrukte structuur in gevaar zou brengen. Met deze methode, de onderzoekers toonden aan dat het materiaal twee keer zoveel gewicht kon dragen als het ongemodificeerde kleimengsel.

Volgende, het team is van plan om het draagvermogen van de grond te verbeteren om hun teststructuren op te schalen en zo dicht mogelijk bij een vervanging voor beton te komen. In aanvulling, ze verzamelen gegevens om te zien of deze 3D-geprinte structuren zo milieuvriendelijk zijn als ze zich voorstellen, vooral in termen van koolstofvoetafdruk en recyclingpotentieel. Als ze eenmaal een beter beeld hebben van de chemie, functionaliteit en haalbaarheid van bouwen met lokale bodems, ze zijn van plan om verder te onderzoeken hoe deze technologie buiten onze eigen planeet kan worden gebruikt.