ETH Zurich разрабатывает FoamWork, чтобы сократить использование бетона в зданиях

Исследователи из ETH Zurich использовали элементы опалубки, напечатанные на 3D-принтере, изготовленные из перерабатываемой минеральной пены, для создания сборной бетонной плиты, которая, по их словам, легче и лучше изолирована, используя при этом на 70 процентов меньше материала.

Система, известная как FoamWork, представляет собой обычную прямоугольную форму, заполненную 24 минеральными элементами опалубки разных форм и размеров, после чего вокруг них заливается бетон и оставляется для затвердевания, создавая полые ячейки по всей панели.

Полученная внутренняя геометрия была оптимизирована для усиления плиты вдоль ее основных линий напряжения, что позволило создать необходимую прочность и одновременно значительно сократить количество бетона, необходимого для ее изготовления.

Архитектор Патрик Бедарф считает, что в случае масштабного внедрения это может помочь сократить выбросы углекислого газа в строительстве и, в частности, в производстве цемента, который является крупнейшим источником выбросов CO2 в мире.

«Строительство вносит значительный вклад в выбросы CO2, причем только производство цемента отвечает за 7 процентов выбросов в мире», — сказал Бедарф, научный сотрудник отдела цифровых строительных технологий (DBT) в ETH Zurich.

«Благодаря FoamWork выбросы в результате потребления материала в бетонной плите будут снижены. Меньшая масса также окажет вторичное влияние на размеры всей несущей конструкции и уменьшит усилия по транспортировке и погрузочно-разгрузочным работам на строительных площадках».

Сами элементы опалубки печатаются на 3D-принтере с помощью автономной роботизированной руки с использованием минеральной пены, которая традиционно изготавливается путем вспенивания цемента и все чаще используется в качестве изоляционного материала в строительстве из-за ее высокой пористости.

Чтобы избежать выбросов, связанных с производством цемента, система FoamWork использует альтернативу, разработанную швейцарским стартапом FenX, которая изготавливается из отходов угольных электростанций, называемых летучей золой.

Компания утверждает, что это помогает минимизировать углеродный след пены, даже если принять во внимание выбросы, связанные со сжиганием угля.

Последние элементы FoamWork можно либо оставить на месте, чтобы улучшить изоляцию сборной бетонной плиты, либо переработать и перепечатать для создания новой опалубки.

Учитывая, что в процессе аддитивного производства не образуются отходы, это означает, что вся система потенциально может быть безотходной.

«В настоящее время производство опалубок нестандартной формы очень расточительно или просто невозможно», — сказал Бедарф Dezeen.

«Полые пластиковые формы можно использовать для уменьшения бетона в больших стандартизированных плитах, а для небольших нестандартных применений сложная опалубка для бетона изготавливается вручную из дерева или вырезается на станке с ЧПУ из плотного пенопласта», - добавил он.

«Оба подхода трудоемки и требуют большого количества материала из-за сколов и обрезков».

Внутренняя геометрия бетонной панели была оптимизирована для ее особой формы, основываясь на том, как итальянский архитектор Пьер Луиджи Нерви в 1940-х годах разработал плиты перекрытия, которые были ребристыми вдоль основных линий напряжения.

Но форму и конфигурацию внутренних ячеек можно было настроить для создания целого ряда бетонных строительных элементов — от стен до целых крыш.

Стремясь сократить выбросы углекислого газа, Глобальная ассоциация цемента и бетона недавно взяла на себя обязательство достичь нулевых выбросов к 2050 году.

Для достижения этой цели промышленность работает над поиском заменителей клинкера – наиболее углеродоемкого ингредиента цемента – а также использует технологии улавливания углерода для удаления выбросов, образующихся в процессе производства клинкера.

В настоящее время он включает сжигание карбоната кальция при высоких температурах для отделения кальция, необходимого для создания цемента, от углерода, который выбрасывается в атмосферу.

До тех пор, пока такого рода инновации не будут внедрены в широком масштабе, самый простой способ для архитекторов минимизировать углеродный след своих зданий, связанный с материалами и строительством, — это более экономно и эффективно использовать высокоуглеродистые материалы, такие как бетон и сталь.