使用本地土壤制成的可持续建筑材料进行3D打印，使建筑更绿色

科学家已经开发出一种使用局部土壤进行3D打印结构的方法。

当前，建筑行业面临两个主要挑战：对可持续基础设施的需求以及对不断恶化的建筑物，桥梁和道路的维修需求。尽管混凝土是许多建筑项目的首选材料，但它的碳足迹很大，导致浪费和能源消耗很高。今天，研究人员报告了使用3D打印机创建承重结构，以当地土壤制成可持续建筑材料的进展。

研究人员今天将在美国化学学会（ACS）2020年秋季虚拟会议和博览会上展示他们的结果。ACS将在星期四举行会议。它以关于广泛的科学主题的6,000多个演讲为特色。

该项目的主要研究人员萨巴吉特·班纳吉（Sarbajit Banerjee）博士说：“建筑业对环境的影响日益引起人们的关注。”“一些研究人员已转向增材制造或逐层建造结构，这通常是通过3D打印机完成的。这种进步已经开始在减少浪费方面改变这个行业，但是过程中使用的材料也必须是可持续的。”

例如，使用混凝土挤压层的建筑项目突显了增材制造快速，廉价地用于建筑结构的潜力。但是，根据国际能源署的数据，混凝土生产约占二氧化碳排放量的7％，并且不能回收利用。

德州农工大学Banerjee实验室的研究生Aayushi Bajpayee说：“从历史上看，人类过去常常使用土坯等本地采购的材料建造房屋，但转向混凝土则引发了许多环境问题。”她正在会议上介绍工作。“我们的想法是时光倒流，找到一种方法来改编我们自己后院的材料，以作为混凝土的潜在替代品。”

在建筑中使用本地土壤的一个优势在于，无需制造材料并将其运输到建筑工地，既减少了成本，又减少了环境破坏。Banerjee和Bajpayee还说，有土壤的增材制造有一天可以用于地球以外的地方，以在月球甚至火星上创造定居点。

土壤通常按其构成的材料层进行分类，从植物生长的最上层有机层开始，到地壳的坚硬基岩结束。在最初的有机层下面是黏土，黏土赋予了土壤可塑性，可塑的特性，研究人员在他们的项目中充分利用了这一特性。

研究人员首先从同事的后院收集土壤样品，然后使用一种新的环保添加剂对材料进行裁剪，以使其结合在一起并易于通过3D打印机挤出。由于土壤随位置的不同而有很大差异，因此其目的是拥有一种化学“工具包”，该工具包可以将任何类型的土壤转化为可印刷的建筑材料。Bajpayee从那里建造了小型测试结构，每个侧面长2英寸的立方体，以观察材料在挤压成堆叠层时的性能。

下一步是确保混合物具有承重能力，这意味着混合物不仅要承受各层的重量，而且还要承受建筑中使用的其他材料（如钢筋和保温材料）的重量。为了解决这个问题，研究人员通过“拉链”表面的微观层来增强粘土混合物的强度，以防止其吸收水分和膨胀，从而损害印刷结构。通过这种方法，研究人员表明该材料所能承受的重量是未改性粘土混合物的两倍。

接下来，该团队计划提高土壤的承重能力，以扩大其测试结构并尽可能接近混凝土的替代品。此外，他们正在收集数据，以查看这些3D打印结构是否如预期的那样对环境友好，特别是在碳足迹和回收潜力方面。一旦他们对用当地土壤建造建筑物的化学，功能和可行性有了更好的了解，他们计划进一步探索如何在我们自己的星球之外使用这项技术。

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关于这个话题的新闻发布会将于东部时间8月20日（星期四）上午举行。

标题

就地资源利用和将土壤重新配置为建筑材料以用于建筑物的增材制造

抽象的

建筑行业正受变革之风的冲击，这是在发达国家中迫切需要补救不断恶化的基础设施以及在新兴经济体中推动建设新基础设施的同时，在设计手段以改善其灾难性的碳足迹和整个施工过程中的低效率方面取得的平衡浪费大量的能源。增材制造方法通过提高自动化水平而脱颖而出，从而改变了整个行业，但是，依靠混凝土作为选择的挤压材料有可能加剧环境挑战。我们讨论了我们的努力，以开发基于天然土壤的天然来源建筑材料的新调色板，并将其重新配制成可与增材制造兼容的可挤出配方。我们勾画出了路线图，将土壤化学与复合科学，中尺度现象的建模，可挤压土壤墨水的流变学研究，生成设计以及稳健结构的开发（功能相关性与原子和中尺度结构以及要加载的结构的几何形状相关）组合在一起承载能力。我们通过自然采摘的Burlewash粘土样品通过形成3D打印成承重结构的硅氧烷骨架进行交联来说明这种方法。强调需要一种综合的生命周期评估方法，以确保开发出一系列新型的可持续建筑材料。

研究人员感谢德克萨斯农工大学X-Grants计划的支持和资助。