Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A természetes építőanyagok felhasználásában több szempontból is sok kiaknázatlan potenciál van: környezetbarát, egészséges, hozzáférhető, gazdaságos. Napjainkban számos világszintű változást és válságjelenséget tapasztalhatunk (éghajlatváltozás, üvegházhatású gázkibocsátás, túltermelés, hulladék felhalmozódás, civilizációs betegségek, társadalmi egyenlőtlenségek, gazdasági válság, energiaválság) amelyekre a természetes építőanyagok felhasználása kézenfekvő válasz lehet. Mivel kevesebb feldolgozottságot igényelnek, kisebb a beépített energiatartalmuk, ezáltal a CO2 kibocsátásuk. Természetes anyag lévén nem környezetszennyezők, a természet körforgásába visszaforgathatók bonyolult hulladékkezelési eljárások nélkül. Épületbiológiai szempontból az emberi felhasználókra nézve kifejezetten kedvező élettani hatásúak. Helyben (országosan) hozzáférhetők, elérhetők. 

A természetes anyagok használatának modernizálása mellett legalább ilyen fontos a hulladékok és ipari melléktermékek felhasználása, újrahasznosítása az építőiparban.

 

Az anyagválasztás mellett egyre nagyobb szilárdsági és elsősorban tartóssági követelményeknek kell megfelelni, mert ez csökkenti az összes anyaghasználatot (karcsúbb, kisebb és hosszabb élettartamú szerkezet). Az építőipar nagy volumene miatt kis lépések is összességében nagy mennyiséget jelentenek. 

 

Indokolt megfontolni a hagyományos, alapvetően természetes, elsősorban helyi anyagok felhasználást a konvencionális építőiparban. A hagyományos anyagok, mint a vályog, a szalma vagy a kender esetén a modern építőipari technológiák alkalmazását kell használni, mint például az additív gyártás, amit az építőipar is egyre növekvő mértékben használ. 

 

A 3D nyomtatás a műanyagok esetén már bevett gyakorlat, fémek esetén is jelentős eredményeket értek el, a betontechnológiában is elterjedőben van, viszont pl. vályogra még egyáltalán nincs kidolgozva. Betonok esetén is szinte kizárólag nagy cementtartamú, válogatott kőanyaghalmazt tartalmazó összetételeket használunk, ami a jelenlegi betonösszetételi irányelvekkel (klinkertartalom csökkentése, hulladék adalékanyagok felhasználás) pont ellentétes. A gyártás adottságaiból adódóan jelentős a gyártás alatti hulladékképződés, aminek a visszaforgatása is célszerű lenne. Ez egy fizikai kötéssel szilárduló anyagnál – mint amilyen az agyag – különösen kedvező lehet. 

 

Az additív technológiák nagyon érzékenyek a kis változtatásokra is, pl. arra, ha az időjárási körülmények változnak vagy az alapanyag nem egyenletes, ami különösen jellemző a természetes és hulladékanyagokra, ezért a kutatás elsődleges célja a helyszínen is alkalmazható technológiákhoz (pl. 3D nyomtatás) és helyszínen is elérhető anyagokhoz (mind természetes anyagok, mind pedig helyszíni ipari és mezőgazdasági hulladékanyagok) megfelelő anyagtechnológiát kifejleszteni, melynek célja, hogy a helyben elérhető anyagokra egy kategorizálási rendszer készüljön, lehetőség szerint helyszínen is elvégezhető vizsgálatokkal és egy technológiai program alakuljon ki tudományos eredményekkel alátámasztva a korábbi elsősorban tapasztalati eredmények helyett.

 

Kidolgozandó feladatrészek:

    • a jelenleg használatos módszerek és technológiák áttekintése, a potenciális fejlesztési területek kiválasztása,

    • a vályog alapvető anyagjellemzőinek vizsgálata és hatása a nyomtathatóságra,

    • természetes szálak alkalmazhatóságának vizsgálata,

    • a környezet és időjárási körülmények hatásának vizsgálata és a gyártási optimalizálásban való figyelembevétele,

    • gyors száradás elősegítő természetes kiegészítőanyagok vizsgálata a hatékonyabb 3D nyomtatás elősegítése érdekében,

    • a 3D nyomtatott vályogok és betonok esetén a saját gyártási hulladék és egyéb ipari hulladék felhasználási lehetőségeinek vizsgálata irodalmi adatok és saját eredmények alapján,

    • összetétel tervezési módszer meghatározása,

    • analitikus, ill. numerikus szilárdságtervezési módszer kidolgozása.

 

***

 

There is an untapped potential in the use of natural building materials from many aspects: environmentally friendly, healthy, economically. Today, we are experiencing a number of global changes and crises (climate change, greenhouse gas emissions, overproduction, waste accumulation, civilization diseases, social inequalities, economic crisis, and energy crisis) to which the use of natural building materials could be a natural response. As natural material require less processing, they have lower energy content and therefore lower CO2 emission. Being natural materials, they are low-polluting and can be recycled back into the natural cycle without complex waste treatment processes. From a building biology point of view, they have a particularly beneficial physiological effect on human users. They are locally (nationally) available and accessible.

Beside modernizing the use of natural materials, it is equally important to use and recycle waste and industrial by-products in the building industry.

 

The choice of materials, there is an increasing demand for strength and, above all, durability, as this reduces the overall utilise of materials (thinner, smaller, and long-live structures). The large volume of construction also means that small steps are a large volume overall.

 

It is reasonable to consider the use of traditional, natural, mainly local materials in the conventional construction idustry, too. In the case of traditional materials such as adobe, straw or hemp, the use of modern construction technologies such as additive manufacturing, which is increasingly used by the construction industry, should be used.

 

3D printing is already common practice for plastics, researchers have significant results for metals and is becoming more widespread in concrete technology, but has not yet been developed for all materials, e.g, adobe. Concretes are made with high cement amount and special selected aggregates, which is in contradiction with current concrete mix design guidelines (reduction of clinker content, use of waste aggregates). Due to the process of the production, there is a significant amount of waste during production, which should be recycled. This could be particularly advantageous for a material that hardens by physical bonding, such as clay.

 

Additive technologies are also very sensitive to small changes, e.g. when weather conditions change or the raw material has not constant quality, which is particularly the case for natural and waste materials, and therefore the primary aim of research is to develop technologies that can be applied in situ (e.g. 3D printing) and locally available materials (both natural materials and on-site industrial and agricultural wastes), with the aim of developing a categorisation system for locally available materials, possibly with on-site testing, and a technology programme based on scientific results rather than the mainly empirical results of the past.

 

 

Parts of the work:

    • Review of currently used methods and technologies, selection of potential areas for improvement,

    • investigation of the main material properties of adobe and their impact on printability,

    • investigating the using of natural fibres,

    • assessment of the impact of environmental and weather conditions and their consideration in production optimisation,

    • investigation of natural additives to promote rapid hardening to facilitate more efficient 3D printing based element,

    • investigating the potential use of production waste and other industrial waste in 3D printed clays and concretes, based on literature data and new results,

    • determination of a mix design method,

    • development of analytical and numerical desing methods.