追加製造：持続可能な現代建築のための 3D プリント酸化マグネシウムコンクリート

出典: Smart Civil Engineering

背景

3D プリント技術は、高い柔軟性、短いサイクル時間、低い人件費、資源の無駄の低減などの独自の利点を備え、現代の製造業界に優れたデジタルフレームワークを提供することを目指して急速に発展している技術です。近年、3D プリントの範囲は建設業界にまで拡大しており、この技術は従来の建設方法では生産が難しい複雑な建築構造物を生成する上で大きな可能性を示しています。 3Dプリント技術の活用により工期の短縮や人件費の削減が可能となるものの、材料面では粗骨材を組み込むことができずセメントの消費量が増えるため、依然として高価な技術となっている。従来の建築や 3D プリントで最も一般的に使用されている材料である普通ポルトランドセメント (OPC) は、製造プロセス中に大量の CO2 を排出し、ライフサイクル全体を通じて環境保護にプラスの効果をもたらしません。したがって、 3D プリント技術全体を持続可能にするためには、代替の低炭素建築材料を開発することが重要です。反応性酸化マグネシウムセメント (RMC) は、OPC の半分の温度 (1400°C に対して 700°C) で生成され、一度水和すると安定した水和炭酸マグネシウム (HMC) を形成して大気中の二酸化炭素を永久に吸収し、微細構造を緻密化して強度を向上させることができます。現在の研究では、RMC は CO2 を永久に貯蔵し、その後 OPC に匹敵する強度を増すことができることから、持続可能な代替手段となる可能性があることが示唆されています。

研究の出発点

近年では、硫酸アルミネートセメントやリン酸マグネシウムカリウムセメントなど、低炭素で環境に優しい材料の3Dプリント技術が応用されています。しかし、RMC の 3D プリントの可能性はまだ十分に活用されておらず、RMC や同様の低炭素建築材料を 3D プリントに使用することで、現代の建設業界の持続可能な未来が保証されます。これを踏まえて、本論文では持続可能な近代建築向けに 3D プリントされた酸化マグネシウムコンクリートを提案します。

研究内容

この論文では、XRD、SEM、TGA などの微視的試験方法を巨視的機械的およびレオロジー的測定と組み合わせて、印刷および鋳造 RMC スラリーの機械的特性、レオロジー特性、および構築可能性を比較します。研究の結果、市販の RMC に適切な混和剤とわずか 3 重量% の腐食性酸化マグネシウムを加えるだけで、RMC スラリーの適切なレオロジーと構築性が達成され、正確な形状を維持しながら複雑な構造を 3D プリントできることが示されました。

図 1. 3 つの異なる形状の 3D プリント RMC: CAD モデル (上段)、スライスモデル (中段)、および対応する 3D プリント構造 (寸法は mm 単位) (下段)。
図2 鋳造および3DプリントRMC試験片の圧縮強度と破壊メカニズム：（a）写真は直径と高さが約25mmの円筒形試験片を示しています。（b）圧縮強度曲線、（c）圧縮試験後の試験片の状態の画像図3 鋳造（上段）および3Dプリント（下段）RMCのSEM分析：（a、c）および（b、d）は、それぞれ表面と内部の微細構造画像を表しています図4 （a）XRDおよび（b）TGA / DTG分析により、鋳造および3Dプリントサンプルの炭化効率が明らかになりました

主な結論

この研究では、3重量%のcMgOと適切な割合の混和剤を添加することで、RMCは優れた押し出し性、流動性、および構築性を実現し、3Dプリントに適したものになることが示されています。中程度に複雑な構造の場合、流動の乱れや構造の崩壊なしに最大 60 分の 3D プリント時間が達成され、加速炭化後でも良好な形状保持と全体的な完全性を示しました。さらに、3D プリントされた RMC の強度は鋳造 RMC のほぼ 2 倍であり、これは 3D プリントされた RMC の多孔性がコンクリートの炭化を促進するためであると考えられます。この研究では、コンクリートの炭酸化度と強度を高めるために、配合組成、印刷パラメータ、硬化条件などのいくつかの側面が性能に与える影響を明らかにするために、RMC の 3D 印刷に関するさらなる研究開発を求めています。この研究はまた、持続可能な開発全体と現代のインフラのための 3D プリント可能な建築材料としての RMC の大きな可能性を強調しています。

文献リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101145

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