Beton drukowany stał się w ostatnich latach jednym z głównych trendów w branży budowlanej ze względu na jego zdolność do optymalizacji procesów i redukcji odpadów. Jednak jego wpływ na środowisko nadal jest przedmiotem analiz, zwłaszcza ze względu na wpływ cementu na globalną emisję CO₂.
W tym kontekście grupa naukowców opracowała eksperymentalną konstrukcję, która łączy beton tłoczony 3D, zaawansowaną geometrię i nowe dodatki mineralne. W rezultacie powstał element konstrukcyjny, który na nowo definiuje stosunek wytrzymałości, zużycia materiału i absorpcji dwutlenku węgla, nie zmieniając przy tym standardowych norm bezpieczeństwa.
Jak wygląda beton drukowany w 3D, który pochłania więcej CO₂ niż zwykły beton?
Pierwszym przypadkiem zastosowania tego betonu drukowanego jest eksperymentalny most o długości nieco ponad dziesięciu metrów, który stanowi przełom w stosunku do tradycyjnej koncepcji litego bloku. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials, gdzie szczegółowo opisano, w jaki sposób konstrukcja pochłania nawet o 142% więcej CO₂ niż beton konwencjonalny.
Projekt zmniejsza ilość potrzebnego materiału o około 60% w porównaniu z mostem o podobnej wielkości, zachowując jednocześnie cele w zakresie wytrzymałości konstrukcyjnej.
Kluczem jest jego pusta rama, która zwiększa powierzchnię wystawioną na działanie powietrza i wody, ułatwiając reakcje chemiczne odpowiedzialne za wychwytywanie dwutlenku węgla. Prototyp jest obecnie wystawiony w Wenecji, a jego replika w rzeczywistych rozmiarach została już zatwierdzona we Francji.
Projekt jest prowadzony przez Shu Yang, profesor inżynierii na Uniwersytecie Pensylwanii, której praca koncentruje się na materiałach zdolnych do reagowania na bodźce zewnętrzne. W tym przypadku beton tłoczony naśladuje architekturę ludzkich kości, które łączą gęstą warstwę zewnętrzną z porowatą siecią wewnętrzną.
Aby to osiągnąć, wykorzystuje się minimalne trójwymiarowe powierzchnie okresowe, czyli geometrię, która pozwala na efektywne rozłożenie obciążeń przy użyciu mniejszej ilości materiału.
Ten wewnętrzny wzór nie tylko poprawia właściwości mechaniczne, ale także zwiększa o około 30% zdolność absorpcji CO₂ poprzez zwielokrotnienie kanałów kontaktu z otoczeniem.
Projekt opiera się również na metodach statyki graficznej, które pozwalają na mapowanie przepływu sił wewnątrz konstrukcji i uniknięcie słabych punktów, nawet w obszarach o wyraźnych nawisach.
Materiały i zdolność absorpcji CO₂ tego betonu tłoczonego
Jednym z wyróżniających elementów opracowanego betonu tłoczonego jest dodatek ziemi okrzemkowej, proszku mineralnego powstałego z pozostałości kopalnych mikroalg. Materiał ten charakteryzuje się wysoką naturalną porowatością, która ułatwia przenikanie powietrza i wody bogatej w dwutlenek węgla.
Testy laboratoryjne pokazują, że mieszanka może wchłonąć do 489 gramów CO₂ na kilogram cementu w ciągu tygodnia, czyli około dwa razy więcej niż standardowy beton.
Jak wyjaśnił Shu Yang, „zwykle wraz ze wzrostem porowatości spada wytrzymałość, ale w tym przypadku struktura zyskuje na wytrzymałości wraz z upływem czasu”.
Podejście to jest szczególnie istotne, biorąc pod uwagę, że produkcja cementu generuje od 7% do 8% globalnej emisji CO₂, mimo że od 1990 r. przemysł ten zmniejszył emisję na tonę o około 25%.
Od laboratorium do rzeczywistej infrastruktury
Przed wzniesieniem ostatecznego mostu zespół przetestował mniejsze bloki o tej samej geometrii wewnętrznej. Wyniki potwierdziły, że beton tłoczony zachował znaczną część swojej wytrzymałości na ściskanie przy użyciu mniejszej ilości materiału.
Następnie zbudowano dwa mosty testowe, jeden na mniejszą skalę, a drugi, który przeszedł testy obciążeniowe w rzeczywistych warunkach.
Konstrukcje są drukowane w segmentach za pomocą ramion robotycznych i montowane za pomocą sprężonych stalowych linek, co umożliwia ich transport, demontaż i ponowne wykorzystanie. Ten modułowy system otwiera drzwi do przyszłych zastosowań w płytach, dachach lub prefabrykowanych fasadach.
Chociaż istnieją ograniczenia związane z dostępnością ziemi okrzemkowej, projekt pokazuje, w jaki sposób połączenie geometrii, materiałoznawstwa i betonu drukowanego może przyczynić się do zmniejszenia emisji bez utraty funkcjonalności konstrukcji.
