Byggbranschen står för närvarande inför två stora utmaningar:efterfrågan på hållbar infrastruktur och behovet av att reparera försämrade byggnader, broar och vägar. Även om betong är det bästa materialet för många byggprojekt, den har ett stort koldioxidavtryck, vilket leder till höga avfalls- och energikostnader. I dag, forskare rapporterar framsteg mot ett hållbart byggmaterial tillverkat av lokal jord, använda en 3D-skrivare för att skapa en bärande struktur.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Byggbranschens miljöpåverkan är en fråga av växande oro, " säger Sarbajit Banerjee, Ph.D., projektets huvudutredare. "Vissa forskare har vänt sig till additiv tillverkning, eller byggnadsstrukturer lager för lager, vilket ofta görs med en 3D-skrivare. Detta framsteg har börjat förändra denna sektor när det gäller att minska avfallet, men materialen som används i processen måste också vara hållbara."

Till exempel, byggprojekt med extruderade lager av betong har belyst potentialen med additiv tillverkning för byggnadskonstruktioner snabbt och billigt. Dock, betongtillverkning står för cirka 7 % av koldioxidutsläppen enligt International Energy Agency, och kan inte återvinnas.

"Historiskt sett, människor brukade bygga med lokalt framställt material, som adobe, men övergången till betong har väckt många miljöfrågor, " säger Aayushi Bajpayee, en doktorand i Banerjees labb vid Texas A&M University. Hon presenterar arbetet på mötet. "Vår tanke var att vrida tillbaka klockan och hitta ett sätt att anpassa material från våra egna bakgårdar som en potentiell ersättning för betong."

En fördel med att använda lokal jord i byggandet är att materialen inte skulle behöva tillverkas och transporteras till byggarbetsplatsen, minska både kostnader och miljöskador. Banerjee och Bajpayee säger också att additiv tillverkning med jord en dag skulle kunna användas bortom jorden, att skapa bosättningar på månen eller till och med Mars.

Jorden klassificeras vanligtvis efter de lager av material den består av, börjar med det översta organiska lagret där växter växer och slutar vid den hårda berggrunden av jordskorpan. Under det ursprungliga organiska lagret finns lera, som ger jorden sin plast, formbar karaktär som forskarna utnyttjade i sitt projekt.

Forskarna började med att samla in jordprover från en kollegas bakgård och skräddarsy materialet med en ny miljövänlig tillsats så att det skulle binda ihop och enkelt sprutas ut genom 3-D-skrivaren. Eftersom jordar varierar mycket beroende på plats, deras mål var att ha en "verktygslåda" för kemi som kunde förvandla alla typer av jord till tryckbart byggmaterial. Därifrån byggde Bajpayee småskaliga teststrukturer, kuber som mäter två tum på varje sida, för att se hur materialet presterade när det extruderades till staplade lager.

Nästa steg var att säkerställa att blandningen är bärande, vilket innebär att den klarar vikten av skikten men även andra material som används i konstruktionen som armeringsjärn och isolering. För att hjälpa till med detta, forskarna stärkte lerblandningen genom att "försluta" de mikroskopiska lagren på dess yta för att förhindra att den absorberar vatten och expanderar, vilket skulle äventyra den tryckta strukturen. Med denna metod, forskarna visade att materialet kunde hålla dubbelt så mycket vikt som den omodifierade lerblandningen.

Nästa, teamet planerar att förbättra jordens bärande förmåga för att skala upp sina teststrukturer och komma så nära en ersättning för betong som möjligt. Dessutom, de samlar in data för att se om dessa 3D-tryckta strukturer är så miljövänliga som de föreställer sig, särskilt när det gäller koldioxidavtryck och återvinningspotential. När de väl har en bättre bild av kemin, funktionalitet och genomförbarhet för att bygga med lokala jordar, de planerar att ytterligare utforska hur denna teknik kan användas utanför vår egen planet.