Egy európai kutatási konzorcium az Empa (svájci állami kutatóintézet, teljes nevén Svájci Szövetségi Anyagtudományi és Technológiai Laboratóriumok) és az ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule, Svájci Szövetségi Műszaki Főiskola) részvételével teherhordó beton elemeket nyomtat cement nélkül – tisztán ipari hulladékból, vasalapú alakemlékező ötvözetekkel erősítve és CO₂-injektálással megszilárdítva. A CARBCOMN nevű EU-projekt ezt a három megközelítést egy zárt gyártási koncepcióvá kapcsolja össze, amely szétszerelhető, alacsony CO₂-kibocsátású 3D-nyomtatott beton alkalmazását célozza a szerkezetépítésben.
Nyomásdomináns szerkezetek acélbetét helyett
A konzorcium a hagyományos acélbetét és portlandcement helyett anyagában eltérő megközelítést alkalmaz. Kötőanyagként acélsalakot használnak – a kohászat melléktermékét. „Egyrészt digitális gyártási módszereket használunk, hogy erőforrás-takarékosan építsünk. Másrészt a hagyományos cementet kisebb CO₂-lábnyomú kötőanyagokkal helyettesítjük” – mondja Moslem Shahverdi, az Empa kutatója. A teherhordási logika történelmi kőboltozatos hidakhoz igazodik: a konzorcium úgynevezett „compression dominant structures” szerkezeteket fejleszt – olyan geometriákat, amelyek célzottan vezetik le a nyomóerőket és minimalizálják a húzóterheléseket. „A beton nagy nyomást bír el, de a húzást kevésbé” – magyarázza Shahverdi. A digitális gyártási módszerek lehetővé teszik az ilyen geometriailag optimalizált formák pontos tervezését és az anyagfelhasználás jelentős csökkentését. Az üregek célzottan ott jönnek létre, ahol nincs szükség megerősítésre. „Ezeket a nyílásokat már a digitális modellben megtervezzük, így a robot nyomtatás közben automatikusan kihagyja őket” – teszi hozzá Shahverdi. A csökkentett elemtömeg további szerkezeti előnyt is jelent: a szeizmikus terhelés a tömeg csökkenésével arányosan mérséklődik. „Már tíz százalékos tömegcsökkenés is sokat számít” – mondja Shahverdi, ami fontos tényező földrengésveszélyes térségekben történő alkalmazás esetén.
Vasalternatívaként vasalapú alakemlékező ötvözetek
A rendszer nem nélkülözheti teljesen a vasalást – de az Empa itt egy speciális anyagot alkalmaz: vasalapú alakemlékező ötvözeteket (Fe-SMA). Ezek az előfeszített fémek melegítés hatására nem kitágulnak, hanem összehúzódnak, és utólagos feszítést hoznak létre az elemekben. „Körülbelül 20 éve dolgozunk ilyen speciális ötvözetekkel” – mondja Shahverdi. Az Empa spin-off vállalata, a re-fer is hozzájárul a konzorciumhoz az alakemlékező ötvözetek területén szerzett szakértelmével. A hagyományos feszített acélbetétekkel szemben, amelyek bonyolult előfeszítési munkákat igényelnek, a Fe-SMA rudak egyszerűen beépíthetők a nyomtatás után az elemekbe. Ez lehetővé teszi, hogy a nyomtatási folyamat automatizált és zavartalan maradjon. A körforgásos koncepció szempontjából kulcsfontosságú: a rudak később ismét elválaszthatók a betontól, így az egész szerkezeti elemek szétszerelhetők. Hosszú távon ezt a lépést is robotok végezhetik. „A jövőben egy második robot közvetlenül a nyomtatás után beépítheti a Fe-SMA vasaló rudakat” – mondja Shahverdi.
CO₂ mint szilárdító anyag
A 3D-nyomtatás után az elemek egy karbonizációs kamrába kerülnek, ahol CO₂-t injektálnak. A gáz kémiai reakcióba lép a salakalapú betonkeverékkel: „Ez az eljárás megszilárdítja a betont, miközben CO₂-t köt meg” – magyarázza Shahverdi. Ha a szilárdság nem lenne elegendő igényesebb alkalmazásokhoz, kis mennyiségű cement hozzáadásával javítható. „Általános mélyépítési alkalmazásokhoz ez már most is jó kiindulási alap” – véli Shahverdi. Az anyagfejlesztéssel párhuzamosan egy közös digitális platform is készül, amely lefedi a teljes folyamatot a tervezéstől a gyártásig – beleértve a fenntarthatósági és életciklus-elemzéseket is. Az olyan építészirodák, mint a Zaha Hadid Architects, szorosan együttműködnek a projektben részt vevő mérnökökkel és anyagtudósokkal. 2028-ig egy teljes egészében 3D-nyomtatott épületmodul prototípusának kell igazolnia a koncepció műszaki megvalósíthatóságát. „Itt egyedülálló szakértelmet egyesítünk – 3D-nyomtatást, szerkezeti teljesítményt és a mi specialitásunkat: a vasalapú alakemlékező ötvözeteket” – foglalja össze a lényeget Shahverdi.
A „CARBCOMN” projekt
Az EU „CARBCOMN” („Carbon-negative compression dominant structures for decarbonized and de-constructable concrete buildings” vagyis szén-dioxid-negatív, nyomásdomináns szerkezetek dekarbonizált és szétszerelhető betonépületekhez)* projektjében az Empa kutatói európai partnerekkel közösen klímabarát és körforgásos betonépítési módszert kívánnak fejleszteni. Az új típusú építőanyag CO₂-t köt meg, kizárólag újrahasznosított anyagokból áll, és minimalizálja a hagyományos acélbetétek szükségességét. A digitális gyártás és a 3D-nyomtatás révén filigrán, mégis stabil szerkezetek jönnek létre. A hangsúly kevésbé a látványos formákon van, inkább robusztus, lakóépítési célokra alkalmas elemek fejlesztésén, amelyek földrengésbiztosan kapcsolhatók és később újra felhasználhatók. A 2024-ben indult, négyéves projekt a „Horizon Europe” program keretében kap támogatást, és tizenegy vezető kutatóintézetet és építészirodát fog össze Európa-szerte – többek között a Genti Egyetemet, a TU Darmstadtot, a Patrasi Egyetemet, az ETH Zürichet és az Empát, valamint a „Zaha Hadid Architects”, „Mario Cucinella Architects” irodákat és a Tesis, orbix, incremental 3D és re-fer vállalatokat. A teljes költségvetés mintegy hatmillió euró, amelyből az Empa és spin-off cége több mint egymillió eurót kap.
* Olyan beton-szerkezetekről van szó, amelyek környezetbarátok (akár CO₂-t is megkötnek), főként nyomóerőkre vannak optimalizálva, kevés szén-dioxid-kibocsátással készülnek és később szétszedhetők, újra felhasználhatók.
Forrás: https://www.deutsches-ingenieurblatt.de/beton-ohne-zement-3d-druck-veraendert-den-konstruktionsbau/
