未来城市或可用再生玻璃制成的混凝土进行3D打印

• 3D打印混凝土有望降低建筑与施工成本、节省时间。

• 但用天然沙子制备混凝土并不可持续，因此研究人员正在试验以再生玻璃替代。

• 3D打印是建筑施工中的一项重要工具；机器每天可连续运行24小时，减少浪费并提高建筑工人的安全性。

3D打印混凝土或将推动建筑与施工领域发生变革。它可以用于制作现有技术难以实现的新形状和结构，因此可能改变沿用数百年的建筑施工流程和工序，从而降低成本、节省时间。

然而，混凝土对环境的影响显著。目前，人们大量使用天然沙子来满足全球对混凝土永无止境的需求，这给环境带来了沉重代价。总体而言，建筑业在可持续发展方面面临挑战。该行业产生了全球所有填埋废弃物的约35%。

我们的新研究提出了一种减轻这种影响的方法。我们已试验将再生玻璃用作3D打印混凝土的组成材料。

混凝土由水泥、水以及沙子等骨料混合而成。我们试验了用玻璃替代混合料中最高达100%的骨料。简单来说，玻璃由沙子制成，易于回收，而且无需复杂加工即可用于制备混凝土。

建筑业的需求也有助于确保玻璃得到回收利用。2018年，美国只有四分之一的玻璃得到回收，超过一半被送去填埋。

打造更优质的建筑

我们使用了从当地回收公司获得的棕色钠钙饮料玻璃。首先用粉碎机将玻璃瓶粉碎，随后将碎片清洗、干燥、研磨并筛分。所得颗粒的边长小于1毫米。

随后，我们像使用沙子一样用碎玻璃制备混凝土。我们用这种混凝土3D打印墙体构件和预制建筑块，这些构件可以拼装成一栋完整建筑。

如果以这种方式利用，废玻璃就能作为建筑材料的一部分获得新生。

玻璃的加入不仅解决了废弃物问题，还有助于制备性能优于含天然沙子混凝土的混凝土。

钠钙玻璃是最常见的玻璃类型，常见于窗户和瓶子。它的热导率比混凝土中广泛使用的石英骨料低三倍以上。这意味着含再生玻璃的混凝土具有更好的隔热性能。它们可以大幅降低夏季制冷或冬季供暖所需的成本。

提升可持续性

为了让混凝土作为建筑材料更具可持续性，我们还对混凝土配方作了其他调整，包括用石灰石粉替代部分波特兰水泥。

波特兰水泥是混凝土的关键成分，用于将其他材料粘结在一起，形成能够硬化的混合物。然而，普通波特兰水泥的生产会释放大量二氧化碳以及其他温室气体。水泥生产行业约占全球所有二氧化碳排放量的8%。

与波特兰水泥相比，石灰石的危害较小，其生产过程对环境的影响也更小。在3D打印混凝土中，石灰石可替代普通波特兰水泥，且不会降低打印混合料的质量。

墙体构件的3D打印层。Image: Mehdi Chougan

我们还添加了由微小中空热塑性球体制成的轻质填料，以降低混凝土密度。这改变了混凝土的热导率，使其最高降低40%，与其他用于3D打印的混凝土相比。这样进一步提升了混凝土的隔热性能，并减少了所需的原材料。

借助3D打印技术，我们只需在计算机上设计墙体结构，将其转换成简单代码，再发送给3D打印机进行建造。3D打印机每天可连续运行24小时，减少产生的废弃物，并提高建筑工人的安全性。

我们的研究表明，超轻、隔热性能良好的3D打印建筑是可行的，这或许是我们迈向净零排放目标的重要一步。