Lekki beton drukowany przyrostowo zapewni lepszą izolację budynku
Jak wskazano w raporcie Światowego Forum Ekonomicznego 2016, sektor budowlany nadal nie korzysta z najnowszych technologii, choć żyjemy w czasach, gdy wzrost liczby ludności, zwłaszcza w miastach, wymaga modernizacji infrastruktury i wznoszenia nowych, niedrogich mieszkań. Nowe technologie mogą nie tylko obniżyć koszty budowy, ale także przynieść korzyści środowisku dzięki stosowaniu bardziej ekologicznych praktyk. Jak się okazuje budynki odpowiadają za około 40 % światowego zużycia energii i za około jedną trzecią łącznej emisji dwutlenku węgla. Badania prowadzone w ramach programu działań „Maria Skłodowska-Curie” przy wsparciu uzyskanym z projektu Ultra-LightCon-3D pozwoliły ocenić możliwości stosowania druku przyrostowego w budownictwie, zwłaszcza w odniesieniu do drukowania izolacji betonowej. Ze względu na ciągłą pracę drukarek, technika ta może obniżyć koszty pracy i szalunków, zmniejszyć ilość odpadów, a jednocześnie pozwoli uzyskiwać bardziej skomplikowane kształty. „Mówi się, że współczesna branża budowlana stara się rozwiązywać współczesne problemy starymi technologiami. Rewolucyjne możliwości druku przyrostowego mogą zmienić nasze spojrzenie na architekturę, projektowanie i konstrukcję budynków. Mogą stać się sposobnością do tworzenia nowych projektów i przedefiniowania standardów budowlanych”, mówi stypendysta programu Paweł Sikora z Uniwersytetu Technicznego w Berlinie, uczelni będącej gospodarzem projektu. W ramach projektu Ultra-LightCon-3D powstała technologia wytwarzania przyrostowego powłoki termoizolacyjnej ścian budynków, która spełnia przepisy UE. „Możemy projektować i modelować ściany o optymalnych parametrach izolacyjnych i mechanicznych, a następnie po prostu je drukować”, wyjaśnia Sikora.
Eksperymenty i modelowanie – w poszukiwaniu odpowiedniej mieszanki
Pierwszym zadaniem było opracowanie mieszanki betonu, która mogłaby być stosowana w druku. Było to trudne, ponieważ po przejściu przez pompę systemu, beton stosowany w druku przyrostowym musi szybko się wiązać, by zapewnić odpowiednią stabilność kolejnych warstw tworzących wymaganą strukturę. Z kolei stosowany dotychczas beton musi odpowiednio długo zachować odpowiednią lepkość, aby wpłynąć w szalunek. W pierwszej kolejności oceniono właściwości mieszanki pod kątem konsystencji, możliwości stosowania w budownictwie, podatności na wytłaczanie i stopnia kurczenia. Stwardniały beton został następnie poddany testom mechanicznym i wytrzymałościowym. Kolejnym krokiem było wykorzystanie tomograficznego obrazowania trójwymiarowego drukowanych elementów do oceny ich właściwości przestrzennych i porów oraz lepszego opisu wytrzymałości modelu. „Jest to istotne, ponieważ proces drukowania przyrostowego daje znacznie inną strukturę porów niż w przypadku konwencjonalnego wylewania betonu”, dodaje Sikora. Dane eksperymentalne pochodzące z tego etapu projektu zostały wprowadzone do różnych symulacji mechanicznych i termicznych w celu zaprojektowania i zoptymalizowania wymaganej topologii – zapewnienia właściwości, które umożliwią wytrzymanie różnych naprężeń. Przeprowadzenie odpowiednich prac na tym etapie zapewni uzyskanie betonu o wymaganej wysokiej jakości, który będzie zachowywać swoje właściwości w sposób umożliwiający druk na dużą skalę. Bez spełnienia tego warunku konstrukcje nie będą mogły osiągnąć niezbędnej wysokości. Zastosowanie tej metodologii zaowocowało opracowaniem wieloskalowego narzędzia do optymalizacji i przewidywania właściwości mechanicznych i izolacyjnych systemów ściennych bez konieczności przeprowadzania czasochłonnych prac laboratoryjnych. Narzędzie umożliwia ocenę konkretnych cech mieszanek betonowych i pozwala modelować wpływ tych czynników na oddziaływania zachodzące w zestalonym i porowatym betonie, grubości ścianek, stabilność porów i możliwości budowania.
W kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości
Projekt Ultra-LightCon-3D przyczynił się do pozyskania wiedzy niezbędnej do produkcji lekkiego betonu nadającego się do druku, a także opracowania nowej metodologii oceny wydajności. Opracowane podczas trwania projektu koncepcje tworzenia izolacji ścian budynków przyczyniają się bezpośrednio do realizacji unijnej koncepcji wznoszenia budynków o niemal zerowym zużyciu energii, która zaostrza przepisy dotyczące izolacji budynków, a przez to przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii wymaganej do ich izolacji i ograniczenia emisji dwutlenku węgla. W ramach projektu opracowano także betony przyjazne dla środowiska, w tym mieszankę, w której piasek zastąpiono pochodzącym z odzysku szkłem odpadowym. „To rozwiązanie stanowi z jednej strony odpowiedź na globalny niedobór surowców, a z drugiej zmniejsza ilość odpadów, co jest ważne dla państw członkowskich o ograniczonym recyklingu szkła”, mówi. Sikora jest teraz członkiem konsorcjum, które wystąpiło o dalsze dofinansowanie ze środków UE na tworzenie betonu do druku przyrostowego z materiałów odpadowych.
Słowa kluczowe
LightCon-3D, druk przyrostowy, beton, budynki, izolacja, energia, emisja dwutlenku węgla, budownictwo mieszkaniowe, szalunki
