傳統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境產生破壞性影響。所以，科學家一直在嘗試尋找天然河砂的替代材料，以實現混凝土生產的可持續發展。
皇家墨爾本理工大學的研究人員開發了一種新的生態友好型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。研究團隊認為，通過選擇使用回收的玻璃顆粒作為河砂替代物，可以在建筑領域宣傳循環經濟理念，將3D打印和可持續混凝土生產的好處聯系起來。有趣的是，該團隊還調查了玻璃顆粒對混凝土抗彎強度和裂縫擴展特性的影響。他們確定，憑借3D打印的技術路線，這種新型配方實際上也可以提供機械性能方面的好處。
△皇家墨爾本理工大學的3D打印混凝土結構--90°的交叉刻畫角度。照片來自RMIT大學。
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地生態系統產生極其有害的影響。皇家墨爾本理工大學的團隊認為，這種混凝土3D打印方法的可持續發展理念體現在使用回收的玻璃來代替，因為玻璃的化學成分和物理特性與原砂沒有太大區別。根據美國環境保護局的數據，我們人類每年會產出數百萬噸的玻璃廢料，在建筑領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。
△傳統的混凝土混合料如果要用于承重應用，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的玻璃基混合物與傳統混凝土相比如何？該團隊準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。這些結構的抗彎強度是通過三點彎曲試驗來表征的，而X射線微型計算機斷層掃描和掃描電子顯微鏡（SEM）被用來評估試樣的微觀結構。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%，但只有當橫梁跨度與打印方向垂直時才會增加。當梁的跨度和打印方向平行時，玻璃顆粒被發現會使抗彎強度降低8%至20%。因此，該大學的研究團隊確定，只要仔細控制打印方向，回收的玻璃可以作為河砂的合適替代品，用于可持續混凝土3D打印。該研究的更多細節可以在題為 "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。
今年早些時候，位于斯威本科技大學和河北工業大學的科學家進行了一項類似的研究，將建筑垃圾轉化為可持續的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，同濟大學的研究人員最近發表了一項研究結果，探索在3D砂漿打印中使用再生細骨料（RFA）的可行性。該研究試圖更準確地了解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構有何影響。
