Нисковъглероден бетон за 3D печат

Нисковъглеродният бетон не е клас материал с прагова стойност, а сравнение. Една смес е нисковъглеродна само спрямо посочена референция, за посочена декларирана единица и посочени характеристики. Разговорът неизменно се връща към цимента по аритметична причина: в обичайна смес свързващото вещество е малка част от масата и преобладаващата част от емисиите на парникови газове. За 3D печата на бетон това е неудобно, защото печатаемите разтвори по правило се нуждаят от повече свързващо вещество на кубичен метър, отколкото лятият бетон, и тази разлика трябва да бъде компенсирана другаде, преди печатан елемент да бъде честно наречен нисковъглероден.

Какво е това и защо е важно

Клинкерът се получава при нагряване на варовик и глина до около 1450 °C. Възникват два различни потока емисии. Технологичните емисии идват от калцинирането на калциевия карбонат, при което CO2 се отделя като химично следствие от реакцията; те са около две трети от емисиите на клинкера и не могат да бъдат премахнати чрез смяна на горивото, а само чрез по-малко клинкер или улавяне на газа. Емисиите от горивото са останалата част и се намаляват с алтернативни горива, енергийна ефективност и в крайна сметка електрификация или улавяне. И пътната карта на GCCA за 2050 г., и тази на IEA са изградени около това разделение.

Лостовете, с които разполага проектантът на смеси, подредени приблизително по степен на утвърденост:

Заместване на клинкера. Замяната на клинкер с летяща пепел, доменна шлака, варовиково брашно или калцинирана глина е най-прякото и най-добре документирано намаление. LC3 — циментът с варовик и калцинирана глина — е значим, защото суровината е геоложки широко разпространена, а не страничен продукт на свиваща се индустрия. EN 197-1 и EN 197-5 определят типовете смесени цименти, чрез които това се реализира, а EN 206 урежда използването им.

Намаляване на обема на циментовото тесто. Добре зърнометрично подреден скелет от добавъчни материали изисква по-малко тесто, за да запълни празнините и да осигури течливост. Тъй като тестото носи почти целия вложен въглерод, намаляването му е пряка икономия. При печата това е ограничено от размера на дюзата, който поставя таван на максималното зърно и тласка смесите към фини фракции.

Алкално активирани материали и геополимери. Свързващи вещества на основата на шлака или летяща пепел, активирани с алкален силикат или хидроксид, изцяло избягват клинкера. Честните уговорки са, че производството на натриев силикат само по себе си носи съществен въглероден товар, че концентрираните алкални активатори са реален проблем за безопасността в работилница и че дълготрайните данни и европейската стандартизация все още се изграждат.

Карбонатизационно втвърдяване и минерализация на CO2. Втвърдяването в среда с високо съдържание на CO2 или минерализирането му в рециклирани фини фракции и произведени добавъчни материали свързва трайно въглерод и може да ускори ранната якост. Количествата са умерени спрямо емисиите от клинкера и е редно да се третират като частична компенсация в рамките на формално отчитане.

Рециклирани добавъчни материали и фини фракции. Те намаляват първичния добив и могат да заместят част от свързващото вещество, но повишават водопотребността и променливостта, затова употребата им в печатаеми разтвори е все още предимно изследователска.

Земни и стабилизирани земни алтернативи. За подходящи приложения смес на глинена основа или с минимална стабилизация избягва въпроса с клинкера почти изцяло; какво се жертва по отношение на дълготрайност и експозиция, е разгледано в страницата за материалите на земна основа.

Геометрията. Това е доводът, специфичен за печата. Материал се влага само където е конструктивно нужен; топологично оптимизираните и кухите сечения премахват обем, който кофражът би принудил да бъде запълнен; няма кофраж за изработване, превоз и изхвърляне. Срещу това стои по-високото съдържание на свързващо вещество в печатаемите разтвори. Крайният резултат е изчисление, а не лозунг.

Как се измерва

Вложеният въглерод не се измерва върху образец, а се изчислява чрез оценка на жизнения цикъл по ISO 14040 и ISO 14044 и се декларира за строителни продукти по EN 15804, който определя правилата за продуктовата категория, декларираната единица и модулите на жизнения цикъл (A1–A3 за производство, A4–A5 за влагане, B за експлоатация, C за край на живота и D за ползи извън системните граници). Оценката на ниво сграда следва EN 15978. Сравнение между две смеси е смислено само ако и двете декларират една и съща единица, едни и същи модули и еднакви функционални характеристики — обикновено клас по якост и клас на въздействие на околната среда по EN 206.

Съпътстващите физични изпитвания са обичайните: EN 12390-3 за якост на натиск, за да се потвърди, че нисковъглеродната смес постига същия клас, EN 196-3 за време на свързване и EN 1015-3 за разстилане, за да се потвърди, че тя остава обработваема и печатаема, EN 12390-8 за водонепропускливост или изпитване за миграция на хлориди, когато е под въпрос дълготрайността, и ASTM C157 за изменение на дължината, когато свързващо вещество с високо съдържание на минерални добавки или алкално активирана система поражда опасения за свиване. Специфично за печатаните елементи, изпитванията в прясно състояние от литературата за 3DCP — нарастване на статичната граница на течение, едноосов натиск върху пресни образци — са изследователски, а не стандартизирани методи.

Типични стойности

Това са порядъци от публикувани пътни карти и изследвания, съзнателно изразени общо. Тук не се твърди процентна икономия за която и да е смес на Concreef, защото такава не е измервана и декларирана.

Какво го променя

Свързващото вещество е първата и обикновено най-голямата променлива: вид на цимента, клинкерен фактор и обща маса свързващо вещество на кубичен метър. Класът по якост има значение, защото изискване за повече якост, отколкото елементът се нуждае, купува въглерод без полза. Зърнометрията и опаковката на добавъчните материали определят колко тесто изобщо е необходимо. Химичните добавки са пренебрежими по маса, но решаващи по въздействие, защото суперпластификатор, позволяващ по-ниско водно съдържание при същата течливост, позволява и по-ниско съдържание на свързващо вещество.

Извън сместа декларираният резултат се влияе от транспортните разстояния за свързващото вещество и добавъчните материали, от енергийния микс за смесване, помпене и евентуално подгряване, и от експлоатационния срок. Последният най-често се пренебрегва: дълготраен елемент амортизира вложения си въглерод за по-дълъг период, а нисковъглеродна смес, която се разрушава рано, може да е по-лоша от референцията, която замества.

Типични дефекти и причини

Характерните провали тук са толкова аналитични, колкото и материалови. Сравняването на несъпоставими декларации — различни декларирани единици, различни модули, различни класове по якост — дава числа, които изглеждат убедителни и не означават нищо. Твърдението, че процесът е зелен, вместо конкретната смес и геометрия, е обичайната грешка в комуникацията около 3D печата. Пренебрегването на активатора при отчитане на геополимери или изключването му от системните граници надценява значително икономията.

От страна на материала смесите с високо съдържание на минерални добавки забавят ранната якост, което при печата пряко застрашава носимоспособността на пресния обект и безопасния интервал между слоевете. Алкално активираните системи могат да покажат високо автогенно и съсъхвателно свиване, а при някои прекурсори и избивания. Рециклираните фини фракции повишават водопотребността и променливостта между партидите. Смес, оптимизирана единствено по вложен въглерод, може тихо да загуби дълготрайност — устойчивостта на карбонатизация е особено чувствителна към намаления резерв от портландит, което има значение за всеки армиран елемент.

Контекстът на Concreef

Concreef е българска компания за 3D печат на бетон със седалище в София. Печата на система Crane WASP, понастоящем използва търговски премикс и разработва собствена суха смес чрез материални опити в работилницата си в София. Въглеродният отпечатък е едно от ограниченията, които оформят тази разработка, наред с печатаемостта и якостта, а съставът на свързващото вещество е мястото, където двете се противопоставят: печатаемият разтвор търси фини фракции и реактивност, а нисковъглеродният — по-малко клинкер и по-малко тесто.

Concreef няма публикувана екологична продуктова декларация, няма публикувани изпитвателни данни и не прави количествени твърдения за въглероден отпечатък на която и да е смес. Компанията не твърди, че печатаният бетон по своята същност е по-устойчив от лятия. Единствената честна основа за такова сравнение е декларация по EN 15804 за конкретните смеси и равностойна оценка на конкретните елементи.