一种粉末粘结的生物3D打印混凝土及其应用和建造方法与流程

一种粉末粘结的生物3d打印混凝土及其应用和建造方法
技术领域
1.本发明属于建筑材料和土建施工技术领域，具体涉及一种粉末粘结的生物3d打印混凝土及其应用和建造方法。


背景技术：

2.由于3d打印可以信息化建模，机械化施工，日益广泛地应用于土建工程的数字化设计及智能建造。现有的3d打印混凝土多以机械驱动下湿拌挤出堆叠成型，难以实现在某些特殊环境下，如太空建造，深海/深地等环境下失重或者微重力下的无人建造。而且现有3d打印混凝土所采用的组分往往是经过各种加工制作的无机成分，该类特殊环境下难以运输，无法原位低碳建造。微生物在常温常压的条件下，利用环境中极其简单常见生物矿化材料通过一系列节能、无污染的处理实现对无机晶体的无与伦比控制合成，为现代先进材料研发制作和应用，以及严酷环境下的工程建造，提供了新的技术思路和发展方向。生物诱导碳酸钙沉积被认为是自然界中最常见的形式。
3.尽管现有技术初步利用微生物的碳酸钙沉积修复混凝土中的微裂纹cn 109626909、cn114890737 a，证实微生物碳酸钙沉积可以辅助无机胶凝材料提升混凝土性能。现有的微生物混凝土主要用修复裂纹增强粘结，没有将其作为胶凝材料利用开展增材建造，少许尝试在3d打印混凝土中添加微生物作为有机补充材料，胶凝材料仍是水泥，且均采用轮廓成型的建造工艺。
4.而对于太空建造，深海/深地等人力难以企及环境，无法批量运输水泥、粉煤灰、矿粉等精细加工的无机胶凝材料和活性材料进行建造。已有研究表明：在失重和微重力环境下，微生物诱导碳酸钙沉积与常规环境相比具有更高的沉积效率，传统3d打印混凝土工艺不仅存在原材料运输昂贵、制作能耗高，由于采用挤出堆叠的轮廓成型工艺导致失重环境下具有难以压实，强度低等局限性。如何原位采用未经过加工的原始风化物、轻质微生物和少量简单加工无机物，探索使用微生物作为独立胶凝聚合主体的新型低碳增材建造方式，完成微生物主导的有机3d打印混凝土制造，是国内外难点和热点技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种粉末粘结的生物3d打印混凝土及其建造方法，本发明提供的生物3d打印混凝土具有良好的力学性能，且可应用于人力难以企及，物资难以运输的特种环境下智能建造。
6.一种粉末粘结的生物3d打印混凝土，所述生物3d打印混凝土的原料包括风化物粉末和生物胶凝复合溶液，以质量比例计，所述生物胶凝复合溶液每升包括1-7g微生物、0.1-20g生物培养基、5-45g钙源、3-29g碳/氮源、1-12g生物聚合催化剂和0.001-0.1g纳米沉积网架。
7.本发明提供的粉末粘结的生物3d打印混凝土以风化物粉末作为打印基材的生物3d打印混凝土，以有机微生物复合溶液作为胶凝材料，以粉末粘结的方式实现混凝土成型。
8.本发明提供的生物3d打印混凝土的原料具有合适的钙浓度，无机碳浓度，环境ph值和成核点数；其中微生物通过环境温度、湿度下新陈代谢过程中利用水、土中溶解的二氧化碳及氮，打破溶液中碳酸根离子平衡，导致ph值升高，诱导风化物中钙离子沉积，通过成表面设置成核点干预形成晶体矿物，完成生物混凝土增材制造和3d打印过程。
9.在本发明中，所述风化物为地球或其他星球表面颗粒，包括但不限于砂、石、土。如磷灰石、粘土、石灰岩和细砂等。
10.本发明所述的微生物包括但不限于巴氏孢子菌，脲酶菌、反硝化细菌等的一种或者几种的组合。
11.本发明所述的生物培养基包括但不限于葡萄糖、bg-11、gym、bhis、r2a等的一种或者几种的组合。
12.本发明所述的碳/氮源溶液包括但不限于醋酸钠、碳酸氢钠、碳酸乙烯酯、尿素等的一种或者几种的组合。
13.本发明所述的钙源溶液包括但不限于氯化钙、硝酸钙和醋酸钙等的一种或者几种的组合。
14.本发明所述的生物聚合催化剂包括但不限于生物胶、氯化镍等的一种或几种组合。
15.本发明所述的纳米沉积网架包括但不限于石墨烯、碳纳米管等的一种或者几种的组合，可供微生物完成最初沉积聚集的微细观支架材料。
16.优选地，所述生物3d打印混凝土的原料包括风化物粉末和生物胶凝复合溶液，以质量比例计，所述生物胶凝复合溶液每升包括微生物7g、生物培养基8-14g、5-22g钙源、10-15g碳/氮源、7-9g生物聚合催化剂，0.005-0.007g纳米沉积网架。通过进一步优化原料中的配比，使其在此原料配比的协同作用下具有更好的力学性能。
17.本发明还提供了一种上述粉末粘结的生物3d打印混凝土在特种环境中的应用。在本发明中，所述特种环境是指太空建造、深海/深地等特种环境。
18.本发明还提供了一种粉末粘结的生物3d打印混凝土的建造方法，所述建造方法包括：
19.(1)将上述风化物粉末按照建造要求筛选成分，筛分粒径；按照生物胶凝复合溶液需要的透气度进行级配设计，置入粉末粘结打印装备的成型缸；
20.(2)将结构空间数字模型导入控制系统，按照打印模型切片确定打印路径；
21.(3)配置上述生物胶凝复合溶液；
22.(4)通过打印喷头沿打印路径喷出生物胶凝复合溶液到风化物粉末上，诱导风化物粉末沿模型切片粘聚，完成一层粘结成型；
23.(5)成型缸补充风化物粉末；
24.(6)循环步骤(4)和(5)进行每一层粘结成型，直至完成建造。
25.在步骤(4)中，利用生物胶凝复合溶液中的微生物类型、浓度和ph值控制凝聚速率；通过生物胶凝复合溶液的凝聚速率来确定打印头移动距离与时间的比值为打印行进速度；依靠实时监测溶液ph值、生物胶凝复合溶液的浓度和菌落密度来控制单位体积碳酸钙沉积效率，根据打印行进速度、口径确定每层打印沉积速度；且根据打印行进速度和每层打印沉积速度来确定每层风化物粉末的用量。
26.其中，打印行进速度是指打印喷头沿打印路径喷出胶凝溶液的速度。每层打印沉积速度是指如上粉末喷胶实现一层建筑材料堆叠建造(dshape)的时间；生物胶凝复合溶液中微生物的种类和溶液浓度可以对应现有3d打印混凝土dshape工艺中无机胶凝材料和缓凝剂。
27.在步骤(5)中，在每一层粘结成型后，成型缸下降一个等层厚度距离，供粉缸上升一个等层厚度距离，利用铺粉辊补充风化物粉末铺平压实。
28.本发明提供的建造方法以风化物粉末为基材和以生物胶凝材料凝聚混凝土，利用逐层喷胶的方式在风化物空间定位喷射生物胶凝复合溶液进行混凝土增材智能制造，层层聚结实现生物混凝土的增材制造。本发明提供的粉末粘结的生物3d打印混凝土具有良好的节能效率和力学性能，适用特种环境下智能建造，实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
29.与现有技术相比，本发明提供的粉末粘结的生物3d打印混凝土与无机胶凝3d打印混凝土相比具有明显的绿色低碳优势，且混凝土具有良好的晶体排序，且具有优越力学性能，使其可适应恶劣/极限环境下无人免模自动建造。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
31.实施例1
32.以粒径为0.25-0.5mm的磷灰石与粒径0.05-0.25mm的粘土以7:3的比例混合均匀的风化物颗粒作为打印基材。每升生物胶凝复合溶液以质量计，包括芽孢杆菌cf8 7g、tap生物培养基14g、22g氯化钙、5g醋酸钠、10g尿素、7g瓜尔胶、0.01g氯化镍、0.007g纳米石墨烯作为沉积网架按所述方法配置而成。
33.本实施例的生物打印混凝土28天材料测试抗压强度13mpa。
34.实施例2
35.以粒径为0.3-0.5mm的石灰岩与粒径0.075-0.25mm的细砂以5:5的比例混合均匀的风化物颗粒作为打印基材。每升生物胶凝复合溶液以质量计，包括巴氏孢子菌7g、葡萄糖3g+bhis生物培养基5g、5g醋酸钙、10g尿素、9g瓜尔胶、0.017g氯化镍、0.005g纳米碳纳米管作为沉积网架按所述方法配置而成。
36.本实施例的生物打印混凝土28天材料测试抗压强度19mpa。
37.特种环境目前主要针对月表、火星环境及深海深地环境，具有人力难以企及，材料运输困难，由于环境中没有其他天然风化物以外的人工制造胶凝材料，同时因为太空失重/微重力、水浮力、土压力等会导致常规3d打印混凝土的轮廓成型工艺难以压实，成型强度低。由于失重或者微重力影响，这类特殊环境下的结构建造要求并不比地球普通环境下传统结构建造要求更高，因此建筑材料成型强度大于10mpa就可以满足该特殊环境下的结构承载要求，该类工程的主要技术难点在于建造环境缺乏精细加工的无机胶凝材料，难以在低碳低能耗的目标下完成智能建造成型。
38.以火星表面环境为例，火星表层大气含有大量甲烷，主要成分是二氧化碳，其次是
氮、氩，少量的氧和水蒸气，火星表面有冰或风化的含水矿物；根据已有火星土壤成分可知表面系富含橄榄石或辉石的安山岩、玄武岩风化产物。生物打印方法(粉末粘结的生物3d打印混凝土的建造方法)可以利用表面风化物、微量微生物和少量简单加工无机物增材制造混凝土，火星结构建造主要荷载为风暴与恒荷载组合，火星重力约为地球重力的0.4，实施例1和2提供的成型材料性能可满足结构建造需求。
39.以月球表面环境为例，已有文献测试表明：月球表面同样具有月球冰提供水、月玄武岩风化物、月高钙长石可提供钙源、年轻月表物质(嫦娥五号样品)高浓度(47％)碳质球粒提供碳源和更新水。主要荷载为月震、辐射、月表撞击与恒荷载组合，重力约为地球六分之一，实施例1和2提供的生物打印混凝土的可满足建造需求。
40.地球深地深海环境具有本发明的所有原材料，且水下浮力和土压力有利于上述方法的建造承载，跟传统3d打印混凝土相比，具有原材料运输显著减少，降低能耗，实施例1和2提供的生物打印混凝土的可满足建造需求。
41.因此上述方法所述粉末粘结的生物3d混凝土及其建造方法可以使用并充分利用该类特殊环境下的原位材料开展智能建造。将少量微生物与无机物、培养基运输至该特殊环境，利用环境材料和上述建造方法完成上述建筑材料空间成型，且具有足够力学强度，可实现无人低碳绿色智能建造。
42.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述生物3d打印混凝土的原料包括风化物粉末和生物胶凝复合溶液，以质量比例计，所述生物胶凝复合溶液每升包括1-7g微生物、0.1-20g生物培养基、5-45g钙源、3-29g碳/氮源、1-12g生物聚合催化剂和0.001-0.1g纳米沉积网架。2.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述微生物选自于巴氏孢子菌、脲酶菌或反硝化细菌中的一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述生物培养基选自葡萄糖、bg-11、gym、bhis或r2a中的一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述碳/氮源选自醋酸钠、碳酸氢钠、碳酸乙烯酯或尿素中的一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述钙源溶液选自氯化钙、硝酸钙或醋酸钙中的一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述生物聚合催化剂选自生物胶或氯化镍中的一种或组合。7.根据权利要求1所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土，其特征在于，所述纳米沉积网架选自石墨烯或碳纳米管中的一种或组合。8.一种权利要求1-7任一所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土在特种环境中的应用。9.一种权利要求1-7任一所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土的建造方法，其特征在于，所述建造方法包括：(1)将风化物粉末按照建造要求筛选成分，筛分粒径；按照生物胶凝复合溶液需要的透气度进行级配设计，置入粉末粘结打印装备的成型缸；(2)将结构空间数字模型导入控制系统，按照打印模型切片确定打印路径；(3)配置生物胶凝复合溶液；(4)通过打印喷头沿打印路径喷出生物胶凝复合溶液到风化物粉末上，诱导风化物粉末沿模型切片粘聚，完成一层粘结成型；(5)成型缸补充风化物粉末；(6)循环步骤(4)和(5)进行每一层粘结成型，直至完成建造。10.根据权利要求9所述的粉末粘结的生物3d打印混凝土的建造方法，其特征在于，在每一层粘结成型后，成型缸下降一个等层厚度距离，供粉缸上升一个等层厚度距离，利用铺粉辊补充风化物粉末铺平压实。

技术总结
本发明公开了一种粉末粘结的生物3D打印混凝土，所述生物3D打印混凝土的原料包括风化物粉末和生物胶凝复合溶液，以质量比例计，所述生物胶凝复合溶液每升包括1-7g微生物、0.1-20g生物培养基、5-45g钙源、3-29g碳/氮源、1-12g生物聚合催化剂和0.001-0.1g纳米沉积网架。本发明还提供了上述粉末粘结的生物3D打印混凝土在特种环境中的应用及其建造方法。本发明提供的生物3D打印混凝土具有良好的力学性能，使其可应用于人力难以企及，物资难以运输的特种环境下智能建造。的特种环境下智能建造。


技术研发人员：王海龙 孙晓燕 华文岑 董香军
受保护的技术使用者：灵砼科技（杭州）有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12