CN113272504A - 由可重复使用的承载元件构成的承载结构的模块化建造物 - Google Patents

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CN113272504A CN201980087429.XA CN201980087429A CN113272504A CN 113272504 A CN113272504 A CN 113272504A CN 201980087429 A CN201980087429 A CN 201980087429A CN 113272504 A CN113272504 A CN 113272504A
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Abstract

提供了一种新的民用基础设施建造方案，该方案能够满足各种目标，包括减少气候变化、解决劳动力短缺问题、以及提高建造生产率。形成承载结构的方法包括将第一可重复使用的承载元件邻近第二可重复使用的承载元件放置。第一可重复使用的承载元件相对于第二可重复使用的承载元件被固定，而不需要任何粘合剂或砂浆。第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件任选地可以通过利用可打印的胶接组合物进行增材制造来形成，该可打印的胶接组合物诸如为工程胶接复合材料。

Description

由可重复使用的承载元件构成的承载结构的模块化建造物
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月8日提交的美国临时申请号62/757,307的权益。上述申请的全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及用于民用基础设施的、具有可重复使用的建筑模块单元的承载结构的模块化建造物(modular construction)。
背景技术
本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不必然是现有技术。
建造业面临各种挑战。这些挑战包括熟练劳动力的短缺，下降的建造生产率，以及增加的对建造活动对自然环境的负面影响的担忧。世界范围内的趋势正在寻求更绿色或更环保的建造，并将民用基础设施建造转变为更紧密地反映商品的流线型制造过程的过程。尽管建造充满了高度可重复的过程，但大多数建造工程仍被视为一次性原型(one-offprototype)，并且是从头开始手动进行，因此牺牲了时间和成本效率。
在混凝土建造中，有两种主要方法：现场浇筑和预先浇筑。通常，预先浇筑方法比现场浇筑方法更高效，现场浇筑方法具有限制建造效率的受限的浇筑顺序。例如，在桥梁建造中，在可以浇筑大梁之前，必须先浇筑桥墩且使桥墩获得足够的机械强度。在预先浇筑建造中，不同的结构组件可以在现场外并行地制造，并在现场快速地安装。预先浇筑建造在加速桥梁建造和用于房屋市场的模块化建造中已显示出巨大成功，归因于预先制造组件的使用，这两者都提高了建造生产率、安全性、以及经济和环境效益。
尽管目前存在用于建筑物的预先制造的和预先浇筑的结构以及模块化建造，但是这些现有技术也受到主要限制，这些主要限制包括但不限于：(a)耗时、劳动密集并且需要现场组装和接合；(b)用于定制(custom)或同类(one-of-a-kind)建造工程；(c)由通常不设计成从一种结构类型到另一种结构类型的拆卸或重新配置的建造材料而形成；以及(d)形成在建筑学上和美学上不美观的结构(例如，堆叠的容器)。
尽管取得了成功，但是当前的预先浇筑建造实践仍面临局限性。(1)结构设计限制了建造效率。建造是费时、劳动密集且需要现场组装和接合。当前的预先制造的元件使用湿接合(wet joint)(新鲜浆料)连接，这需要时间进行固化。受限的建造效率加剧了交通拥堵，损害了移动性、经济效益和生活质量。交通延误每年在废气和工时中花费数十亿美元，而没有考虑到对环境和人类健康的不利影响。(2)现有结构无法重复使用，产生大量的建造和拆迁(construction and demolishment,C&D)废弃物。因此，当前预先制造的元件由通常不设计成从一种结构类型到另一种结构类型的拆卸或重新配置的建造材料而形成。尽管混凝土可以回收利用，但回收利用过程包括多个处理阶段，例如分选、破碎和清洁，因此增加了成本、碳和能源足迹。实际上，与普通混凝土相比，再生混凝土被用作低标号混凝土。C&D废弃物的回收率是有限的。虽然，在美国，道路和桥梁每年产生超过1.5亿吨混凝土废弃物，但是不到40％的废弃物被回收利用。剩余部分通过垃圾填埋场处理，但可用于垃圾填埋场的面积正在缩小。(3)大多数预先浇筑的结构使用独特的预先制造元件，该预先制造元件在不同结构之间是不能互换的，并且建造过程无法标准化且无法实现建造机器人的使用。对熟练劳动力的高需求和对机器人系统的低采用限制了建造生产率。(4)预先浇筑的结构在建筑学上和美学上不太吸引人。例如，模块化建造提供了模式化的大体积箱子(例如，堆叠的容器)。
需要改善建造效率、移动性、弹性、美观性和可持续性的创新解决方案。希望有一种模块化建造系统，该模块化建造系统提供具有可重复使用的承载材料的流线型建造。此外，希望模块化建造系统包括用于模块化单元的耐用的抗损坏材料、快速接合技术、用于组装和拆卸的机器人、以及由此形成的承载结构的结构适用性和安全性。希望创建通用模块化单元的有限集合，这些通用模块化单元可以接合至不同类型的承载结构中。换句话说，期望具有模块化建造系统，其中如果需要的话，组装结构可以被拆卸并重新配置为不同的结构，从而重复使用模块化单元而不浪费。这种“重复使用”在经济和环境上比“回收利用”和“降级使用”材料更合乎需求。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。
在各个方面，本公开提供了一种形成承载结构的方法。在某些方面，该方法包括通过将第一可重复使用的承载元件邻近第二可重复使用的承载元件放置来形成该承载结构。第一可重复使用的承载元件相对于第二可重复使用的承载元件被固定，而不需要粘合剂或砂浆(mortar)。此外，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
在一方面，放置是自动化过程。
在一方面，承载结构是民用基础设施组件。
在一方面，承载结构选自由以下项组成的组：建筑物、桥梁、道路、跑道、挡土墙(retaining wall)、隔声墙(sound barrier wall)、水工结构(hydraulic structure)、隧道和它们的组合。
在一方面，所述形成还包括在所述放置之后将所述第一可重复使用的承载元件耦接至所述第二可重复使用的承载元件。
在另一方面，所述耦接还包括将所述第一可重复使用的承载元件机械地紧固至所述第二可重复使用的承载元件。
在一方面，所述承载结构为第一承载结构，并且所述方法还包括：拆卸所述承载结构，并且由所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件中的至少一个形成第二承载结构。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件的每个包括基本上没有任何金属加强组分的胶接材料。
在一方面，所述承载结构基本上没有任何金属加强组分。
在一方面，在组装之后，所述承载结构被后张紧(post-tension)。因此，在形成之后，所述承载结构用张紧组件来张紧，所述张紧组件为能够拆卸的。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件是多个可重复使用的承载元件的一部分，所述多个可重复使用的承载元件被组装以形成所述承载结构。
在一个方面，该方法还包括通过利用具有新鲜状态(fresh state)和硬化状态(hardened state)的可打印的胶接组合物进行增材制造来形成所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件。在新鲜状态下，所述可打印的胶接组合物在增材制造过程中是可流动的和可挤压的，并且在硬化状态下，所述可打印的胶接组合物表现出应变硬化。可打印的胶接组合物包括波特兰(Portland)水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(high range water reducing agent,HRWRA)以及聚合纤维。
在另一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有在28天时的抗压强度大于或等于约25MPa的硬化状态。
在另一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、以及大于或等于约1％的拉伸应变能力。
在另一方面，所述形成还包括通过使所述可打印的胶接组合物穿过孔以将所述胶接组合物沉积到目标上、而以新鲜状态沉积所述可打印的胶接组合物。在所述新鲜状态下，所述组合物是可流动和可挤压的，并且在沉积后，胶接组合物形成硬化状态，该硬化状态表现出大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、大于或等于约1％的拉伸应变能力、以及在100小时大于或等于约20MPa的抗压强度。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件包括工程地质聚合物复合材料胶接组合物，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括飞灰(fly ash)、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
在另一方面，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括：以所述胶接组合物的大于或等于约17质量％至小于或等于约22质量％存在的细骨料、以所述胶接组合物的大于或等于约50质量％至小于或等于约60质量％存在的飞灰、以所述胶接组合物的大于或等于约7质量％至小于或等于约12质量％存在的水、以所述胶接组合物的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约1.5质量％存在的聚合纤维、以所述胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约15质量％存在的硅酸钠(Na2SiO3)、以及以所述胶接组合物的大于或等于约2.5质量％至小于或等于约3.5质量％存在的氢氧化钠(NaOH)。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约1米的至少一个尺寸。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约0.3米(约1英尺)的第一尺寸、大于或等于约1米(约3英尺)的第二尺寸、以及大于或等于约2米(约6英尺)的第三尺寸。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件包括第一机械式互锁特征部、并且所述第二可重复使用的承载元件包括第二机械式互锁特征部。所述第一机械式互锁特征部被配置为与所述第二机械式互锁特征部互补。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件中的至少一个包括一体成形的特征部。
在一方面，所述承载结构具有在外部环境中大于或等于约50年的寿命。
在一方面，所述方法还包括：拆卸所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件。在没有粘合剂或砂浆的情况下重新组装所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件以形成第二不同的承载结构。
在各个其他方面，本公开提供一种模块化建筑系统，该模块化建筑系统包括第一可重复使用的承载组件。第一可重复使用的承载组件包括第一胶接组合物并且具有限定突起或凹部的至少一个第一互锁特征部。第一可重复使用的承载组件还包括穿过第一壁限定的至少一个第一孔。模块化建筑系统还包括第二可重复使用的承载组件，该第二可重复使用的承载组件包括第二胶接组合物并且具有至少一个第二互锁特征部，该第二互锁特征部与具有所述突起或所述凹部中的另一个的所述第一互锁特征部互补。第二可重复使用的承载组件具有穿过第二壁限定的至少一个第二孔。第一壁和第二壁彼此相邻，使得至少一个第一互锁特征部抵靠第二互锁特征部安置。模块化建筑系统还包括紧固件，该紧固件设置在第一孔和第二孔中，所述紧固件将所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件固定在一起，而不需要任何粘合剂或砂浆。
在一方面，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
在一方面，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度和大于或等于约1％的拉伸应变能力。
在一方面，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)以及聚合纤维。
在另一方面，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物包括：以组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％的波特兰水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％的铝酸钙水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％的细骨料、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约30质量％的水、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％的高效减水剂(HRWRA)、以及以所述第一胶接组合物或所述第二胶接组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.1质量％存在的聚合纤维。
在另一方面，细骨料包括具有小于或等于约2mm的平均粒度的砂/沙。
在另一方面，聚合物纤维包括聚乙烯醇(PVA)。
在另一方面，聚合物纤维具有大于或等于约5mm至小于或等于约20mm的长度。
在另一方面，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物还包括以下中的一种或多种：飞灰、二氧化硅粉、微细二氧化硅(微硅粉，microsilica)、绿坡缕石纳米粘土(attapulgite nanoclay)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
在另一方面，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括：以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％存在的波特兰水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％存在的铝酸钙水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约38质量％存在的细骨料、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％存在的水、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％存在的高效减水剂(HRWRA)、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.2质量％存在的聚合纤维、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约5质量％至小于或等于约15质量％存在的飞灰、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5.0质量％存在的二氧化硅粉、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约2.0质量％至小于或等于约8.0质量％存在的微细二氧化硅、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5质量％存在的绿坡缕石纳米粘土、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.05质量％至小于或等于约0.5质量％存在的羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
在一方面，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括工程地质聚合物复合材料胶接组合物，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括飞灰、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
在另一方面，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括：以所述胶接组合物的大于或等于约17质量％至小于或等于约22质量％存在的细骨料、以所述胶接组合物的大于或等于约50质量％至小于或等于约60质量％存在的飞灰、以所述胶接组合物的大于或等于约7质量％至小于或等于约12质量％存在的水、以所述胶接组合物的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约1.5质量％存在的聚合纤维、以所述胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约15质量％存在的硅酸钠(Na2SiO3)以及以所述胶接组合物的大于或等于约2.5质量％至小于或等于约3.5质量％存在的氢氧化钠(NaOH)。
在一方面，所述第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱。所述第二可重复使用的承载元件具有选自由以下项组成的组的形状：具有中空的中心区域的矩形棱柱、母板(female plate)组件、公板(male plate)组件以及它们的组合。
在一方面，所述第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，该中空的中心区域具有第一体积。所述第二可重复使用的承载元件限定具有中空的中心区域和第二体积的矩形棱柱，该第二体积比第一体积小。
在另一方面，模块化建筑系统还包括限定母板组件的第三可重复使用的承载组件和限定公板组件的第四可重复使用的承载组件。
在一方面，所述第一互锁特征部限定具有截锥柱(truncated tapered cylinder)形状的突起，并且所述第二互锁特征部限定凹部，所述凹部限定互补的截锥柱形状。
在各个其他方面，本公开提供一种承载结构，该承载结构包括多个第一可重复使用的承载组件。该多个第一可重复使用的承载组件包括第一胶接组合物，并且各第一可重复使用的承载组件具有至少一个第一互锁特征部以及至少一个第一孔，所述至少一个第一互锁特征部限定突起或凹部，所述至少一个第一孔穿过第一壁限定。所述承载结构还包括多个第二可重复使用的承重部件，所述多个第二可重复使用的承载组件包括第二胶接组合物。所述多个第二可重复使用的承载组件中的每个具有至少一个第二互锁特征部，该至少一个第二互锁特征部与具有所述突起或所述凹部中的另一个的所述第一互锁特征部互补。此外，所述多个第二可重复使用的承载组件中的每个包括穿过第二壁限定的至少一个第二孔。每个相应的第一壁和第二壁彼此相邻，使得至少一个第一互锁特征部抵靠第二互锁特征部安置。承载结构还包括多个紧固件，多个紧固件分别设置在第一孔和第二孔中，所述多个紧固件将所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件的每个固定在一起，而不需要任何粘合剂或砂浆。
在一方面，承载结构选自由以下项组成的组：建筑物、桥梁、道路、跑道、挡土墙、隔声墙、水工结构、隧道和它们的组合。
在一方面，所述多个第一可重复使用的承载元件和所述多个第二可重复使用的承载元件中的每个分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
在一方面，所述多个第一可重复使用的承载元件和所述多个第二可重复使用的承载元件中的每个具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度以及大于或等于约1％的拉伸应变能力。
在一方面，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物的每个分别包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)和聚合纤维。
在一方面，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括工程地质聚合物复合材料胶接组合物，该工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括飞灰、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
在一方面，所述多个第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱。所述多个第二可重复使用的承载元件分别具有选自由以下项组成的组的形状：具有中空的中心区域的矩形棱柱、母板组件、公板组件以及它们的组合。
在一个方面，所述第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，所述中空的中心区域具有第一体积，所述第二可重复使用的承载元件具有中空的中心区域和第二体积的矩形棱柱，所述第二体积比第一体积小，且所述承载结构还包括限定母板组件的多个第三可重复使用的承载组件和限定公板组件的多个第四可重复使用的承载组件。
在一方面，该承载结构还包括至少一个张紧组件，所述至少一个张紧组件连接到所述多个第一可重复使用的承载组件和所述多个第二可重复使用的承载组件的组装件(assembly)。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该概述中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅出于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且无意于限制本公开的范围。
图1是根据本公开的某些方面的由多个可重复使用的承载元件形成的承载结构的示例的简化截面图。
图2是示出根据本公开的某些方面的用于制造和拆卸承载结构的生命周期的非限制性示例的示意性流程图。
图3A至图3D示出了根据本公开的某些变型的用于模块化建造系统的可重复使用的承载组件。图3A示出了具有中空内部的矩形棱柱形状的全尺寸可重复使用的承载组件。图3B示出了具有中空内部的矩形棱柱形状的半尺寸可重复使用的承载组件。图3C示出了呈具有突起的公板组件形式的可重复使用的承载组件。图3C示出了呈具有凹部的母板组件形式的可重复使用的承载组件。
图4示出了根据本公开的某些方面的结合了多个不同的可重复使用的承载组件的部分组装的模块化建筑系统。
图5示出了根据本公开的某些方面的结合了多个不同的可重复使用的承载组件的全组装的模块化建筑系统。
图6示出了根据本公开的某些方面的结合了多个不同的可重复使用的承载组件的全组装的模块化建筑系统的第一末端的详细视图。
图7示出了根据本公开的某些方面的结合了多个不同的可重复使用的承载组件的全组装的模块化建筑系统的第二末端的详细视图。
图8示出了根据本公开的某些方面的结合了多个不同的可重复使用的承载组件的全组装的模块化建筑系统的不同视图，所述承载组件在纵向和横向方向上具有多个紧固件。
图9A至图9C。图9A示出了以毫米为单位的代表性哑铃型样本(dog-bonespecimen)的尺寸。图9B示出了用于测试图9A中的哑铃型样本的物理性质的测试设备，以及图9C示出了所测试的样本的截面图。
图10示出了根据本公开的某些方面的用于形成人行桥(footbridge)承载结构的多个可重复使用的承载组件的组装顺序。
图11示出了根据本公开的某些方面的由多个可重复使用的承载组件形成的人行桥承载结构的测试设置。
图12示出了由多个可重复使用的和拆卸的承载组件形成的承载建筑框架的测试设置，该可重复使用的和拆卸的承载组件最初形成图11中的人行桥。
在附图的多个视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
示例性实施方式被提供使得本公开将更充分，并将范围完整地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如特定组成、组件/组分、设备和方法，以提供对本公开的实施方式透彻的理解。对于本领域的技术人员将是显而易见的是那些具体细节没有必要被采用，那些示例性实施方式可以以许多不同的形式来体现，而不应被理解为限制了本发明的范围。在一些示例性实施方式中，没有详细描述已知的过程、已知的设备结构和已知的技术。
本文中使用的术语仅为了描述特定的示例性实施方式的目的，并非意图进行限制。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该/所述(the)”，除非上下文另有明确指出，可能也意图包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”以及“具有(having)”是包含性的，并且因此特指所述的特征、元件、组合物、步骤、整数(integers)、操作、和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施方式的非限制性术语，但是在某些方面，该术语可以替代地被理解为代替更限制性和约束性的术语，例如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于描述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤的任何给定实施方式，本公开还具体包括由或基本由这些描述的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤组成的实施方式。在“由……组成”的情况下，替代实施方式不包括任何额外的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基础特征和新颖特征的任何额外的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤不包括在这种实施方式中，但是，在该实施方式中可以包括实质上不影响基础特征和新颖特征的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤。
本文中描述的任何方法步骤、过程和操作，除非明确地指定了执行顺序，否则不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序来执行。还应理解，除非另外指出，否则可以采用附加或替代步骤。
当组件、元件或层被称为“在另一元件或层上”，“被接合至”、“被连接至”或“被耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一组件、元件或层上，被直接接合、连接或耦接至另一组件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”，“被直接接合至”、“被直接连接至”或“被直接耦接至”另一元件或层时，则可以没有中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应以类似地使用被解释(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意组合和所有组合。
尽管本文中术语第一、第二、第三等可以被用于描述不同步骤、元件、组件、区域、层和/或部件，除非另有说明，否则这些步骤、元件、组件、区域、层和/或部件应不应被这些术语限制。这些术语可能只用于将一个步骤、元件、组件、区域、层和/或部件与另一步骤、元件、组件、区域、层和/或部件区别开来。本文中使用时，除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字表示的术语并不暗示顺序或次序。因此，下面讨论的第一步骤、第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部件可以被称为第二步骤、第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部件，而不会背离示例性实施方式的教导。
为了便于描述，本文中空间或时间上相对的术语(例如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“之下”、“下面”，“下方”，“上方”，“上面”等)可以用来描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中所示的取向之外，空间或时间上相对的术语旨在涵盖设备或系统在使用或操作中的不同取向。
在整个本公开中，数值表示数值代表范围的近似测量或限制，以包含与给定值的微小偏差和具有大约所述值的实施方式以及具有精确的所述值的那些实施方式。除了在详细描述的结尾处提供的工作实施例中之外，在本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如，数量或条件)的所有数值在所有情况下，包括附加的权利要求，均应理解为由术语“约”来修饰，无论“约”是否实际上出现在数值之前。“约”表示所述数值允许一些轻微的不精确(在数值上接近准确；近似或合理地接近该值；差不多)。如果“约”所提供的不精确性在本领域中不能另外理解为具有这些普通的含义，则本文所使用的“约”表示至少可以由测量和使用这些参数的普通方法引起的变化。例如，“约”可以包括小于或等于5％的变化，可选地小于或等于4％、可选地小于或等于3％、可选地小于或等于2％、可选地小于或等于1％、可选地小于或等于0.5％，在某些方面，可选地小于或等于0.1％。
另外，范围的公开包括整个范围内的所有值以及进一步划分的范围的公开，包括范围给出的端点和子范围。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。
为了满足气候变化、劳动力短缺和建造生产率的挑战，本公开提供了一种新的民用基础设施建造方案。在某些方面，本公开提供了一种形成承载结构的方法，该方法包括通过将多个可重复使用的承载元件相对于彼此以不同的预定布置放置以限定期望的承载结构来形成承载结构。例如，在某些方面，本公开提供了一种形成承载结构的方法，该方法包括通过将第一可重复使用的承载元件或模块邻近第二可重复使用的承载元件或模块放置来形成承载结构。在放置之后，第一可重复使用的承载元件相对于第二可重复使用的承载元件被固定。如下面进一步讨论的，当期望时，例如在使用寿命结束时，承载元件可以是不固定的或彼此分离，使得承载元件是完全可重复使用的分离且不同的元件，包括以潜在的新配置。
在某些方面，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件是坚固的、高强度的元件或模块，能够被用来建造用于民用基础设施的承载结构。承载结构是一种符合市政的民用基础设施或建造的适当标准和/或建筑规范、以形成特定的民用基础设施结构的结构。因此，在某些方面，承载结构是民用基础设施(例如，用于形成民用基础设施的组件)。作为非限制性示例，承载结构可以选自由以下项组成的组：建筑物(例如房屋、多单元住宅、摩天大厦、商业设施、工业设施、航空、铁路、航海或电力设施等)、桥梁、道路、跑道、挡土墙(例如，护土墙)、隔音墙、水工结构、隧道及它们的组合。这种承载结构理想地可以承受以下一种或多种：风荷载、地震引起的(地震)荷载或洪水(风暴潮)荷载。在某些非限制性方面，承载结构可以符合，例如，美国混凝土协会(ACI)318“建筑规范对结构混凝土的要求及说明”或美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)对于运输基础设施所规定的标准。
每个可重复使用的承载元件具有的抗压强度可以大于或等于约25MPa，可选地大于或等于约30MPa、可选地大于或等于约30MPa、可选地大于或等于约35MPa、可选地大于或等于约40MPa、可选地大于或等于约45MPa，以及在某些方面可选地大于或等于约50MPa。
在某些方面，该承载结构是坚固且耐用的，例如，在暴露于各种环境因素的外部环境中，承载结构寿命大于或等于约12个月(1年)，该各种环境因素包括降水、风、地下水、水体(bodies of water)和其他包括污染的环境因素。在某些方面，承载结构的寿命可以大于或等于约18个月(1.5年)，可选地大于或等于约2年、可选地大于或等于约3年、可选地大于或等于约4年、可选地大于或等于约5年、可选地大于或等于约6年、可选地大于或等于约7年、可选地大于或等于约8年、可选地大于或等于约9年、可选地大于或等于约10年、可选地大于或等于约15年、可选地大于或等于约20年、可选地大于或等于约25年、可选地大于或等于约30年、可选地大于或等于约35年、可选地大于或等于约40年、可选地大于或等于约45年、可选地大于或等于约50年、可选地大于或等于约55年、可选地大于或等于约60年、可选地大于或等于约65年、可选地大于或等于约70年、可选地大于或等于约75年、可选地大于或等于约80年、可选地大于或等于约85年、可选地大于或等于约90年、可选地大于或等于约95年，以及在某些变化中，可选地大于或等于约100年。在某些方面，该承载结构具有在大于或等于约50年至至少约100年的范围内的寿命。
“可重复使用的”是指多个承载元件可用于形成初始承载结构，然后可从初始承载结构拆卸并重新配置以形成第二承载结构。与可能仅使用一次，然后丢弃或通过循环再利用转化为二次用途和不同用途的常规模块化建造材料相比，本教导的承载元件保持完整且可重复使用，能够在从初始结构拆卸后进行承载。拆卸后，承载元件保持结构上无损的，使得承载元件可以在后续结构中作为结构元件重新使用。因此，每个承载元件可以具有与上面针对承载结构指定的寿命相对应的寿命，并且在某些方面，每个承载元件的寿命可以比承载元件最初用于形成的承载结构的寿命长。初始承载结构和第二承载结构可以是相同类型的结构，例如，第一建筑物和第二建筑物；或者可以是不同的结构，例如，建筑物和道路。以这种方式，承载元件被重新使用和升级改造，提供了低浪费和环境友好或绿色建造过程。
在某些方面，每个可重复使用的承载元件可以是整体式或一体形成的结构。可重复使用的承载元件可以没有任何接合。在某些方面，可重复使用的承载元件可以经由增材制造(例如，三维打印结构)被模制或形成。以这种方式，可重复使用的承载元件可以是固体结构、例如固体块，或者可以是具有在内部限定的一个或多个空隙或中空区域的结构。可重复使用的承载元件可以具有彼此互补的形状，该形状形成彼此嵌套、配合或安置以形成闭合界面的互补表面，例如，基本上密封的或防风雨的接合。可重复使用的承载元件可以具有矩形或其他更复杂的形状，该形状允许模块化组装以形成具有期望的形状或占地面积的承载结构。
每个可重复使用的承载元件可以具有在其中产生一个或多个的一体形成的特征，例如突起或凹部。这样的突起或凹部可以与相邻元件中的一体特征或模制特征(例如，互补的凹部)互补。在某些变型中，可重复使用的承载元件可以具有限定在其中的至少一个机械式互锁特征部，该机械式互锁特征部可以与在相邻元件中限定的不同的机械式互锁特征部配合。因此，第一可重复使用的承载元件可以包括第一机械式互锁特征部，且第二可重复使用的承载元件可以包括第二机械式互锁特征部，其中，第一机械式互锁特征部配置为与第二机械式互锁特征部互补。值得注意的是，用于产生承载结构的多个可重复使用的承载元件可以具有彼此不同的设计和不同的特征(例如，可以具有不同的形状，一些可以是实心的，而另一些可以具有空隙区域等)。
为了形成大的承载结构，每个可重复使用的承载元件具有至少一个大于或等于约1米的尺寸。在一变型中，形成承载元件每个可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约0.3米(约1英尺)的第一尺寸、大于或等于约1米(约3英尺)的第二尺寸、以及大于或等于约2米(约6英尺)的第三尺寸。
常规的建造材料，例如混凝土，不能提供必要的延展性以在不发生脆性断裂的情况下变形，这对于多个单元的模块化建造组装是必要的。准确地说，常规的混凝土和金属分别倾向于断裂和永久变形。但是，虽然没有仅将可重复使用的承载元件限制为这种材料，但是用于形成可重复使用的承载元件的、提供了混凝土和/或钢的强度优势但缺乏其所伴随的缺点的一种材料是工程胶接复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)。ECC是一种纤维增强的胶接复合材料，ECC在许多方面类似于混凝土，但合意地不易碎。ECC材料具有极强的回弹力，并且在受力超载时会产生类似于木材性能的“弹性(give)”。此外，已经收集了有关ECC耐用性的大量实验数据，证明使用寿命是普通混凝土的至少十倍。用于形成单元的另一种可行的材料是工程地质聚合物复合材料(Engineering GeopolymerComposites,EGC)，该工程地质聚合物复合材料设计成与ECC类似，但具有地质聚合物基质而不是波特兰水泥砂浆基质。
在某些方面，本公开内容预期通过利用可打印的胶接组合物(也是工程胶接复合材料(ECC))的增材制造来形成可重复使用的承载元件。可打印的胶接组合物具有新鲜状态和硬化状态。在新鲜状态下，该组合物在增材制造过程中是可流动且可挤压的，在硬化状态下，该组合物表现出应变硬化。胶接组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)以及聚合纤维。这种胶接组合物在Soltan等人的WO 2019/089771，题目为“Self-Reinforced Cementitious Composite Compositions for Building-Scale ThreeDimensional(3D)Printing(用于建筑级的三维(3D)打印的自增强胶接复合材料组合物)”中被描述，其相关部分通过引用并入本文。
在一方面，胶接组合物的硬化状态具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、大于或等于约1％的拉伸应变能力、以及在100小时大于或等于约20MPa的抗压强度。
在某些变型中，用于增材制造的、可打印的胶接组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)和聚合纤维。
波特兰水泥通常包含无机化合物，例如硅酸二钙(C2S或2CaO·SiO2)、硅酸三钙(C3S或3CaO·SiO2)、铝酸三钙(C3A或3CaO·Al2O3)和铁铝酸四钙(C4AF或4CaO·Al2O3-Fe2O3)，该无机化合物可以是水合的。市售的波特兰水泥通常包含作为固化抑制剂的添加剂(例如，可石膏(硫酸钙))和火山灰(如飞灰和磨细粒化高炉矿渣(ground granulatedblast furnace slag,GGBFS))，该火山灰可以与氢氧化钙和水反应形成硅酸钙水合物或铝酸钙水合物。当将火山灰添加到波特兰水泥中时，它们被认为是混合水泥。ASTM国际测试C150(称为“波特兰水泥标准规范(Standard Specification for Portland Cement)”)提供了用于不同应用的八种类型的普通波特兰水泥，即：I型、IA型、II型、IIA型、III型、IIIA型、IV型和V型。在某些非限制性方面，用于胶接组合物的波特兰水泥是I型。波特兰水泥可以以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约25质量/重量％至小于或等于约98质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约30质量/重量％至小于或等于约90质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约40质量/重量％至小于或等于约90质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约50质量/重量％至小于或等于约90质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约60质量/重量％至小于或等于约90质量％存在于胶接组合物中，并且在某些变型中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约72质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，波特兰水泥可以以总组合物的大于或等于约15质量％至小于或等于约55质量％存在于胶接组合物中，可选地以总的总体材料组合物总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约45质量％存在于胶接组合物中。在某些变型中，波特兰水泥以大于或等于约32质量％至小于或等于约36质量％存在。在一实施方式中，波特兰水泥以总的总组合物约35质量％存在于组合物中。
胶接组合物还包括铝酸钙水泥。铝酸钙水泥通常包含无机化合物，例如铝酸钙(CA或CaO·Al2O3)，铝酸二钙(C2A或2CaO·Al2O3)和铝酸三钙(C3A或3CaO·Al2O3)。铝酸钙水泥(CA)操纵硬化速率，例如增加胶接组合物的硬化速率。合适的铝酸钙水泥的一个示例是可从Calucem商购的
Figure BDA0003142174660000161
该
Figure BDA0003142174660000162
具有高的早期强度、耐火性、高耐磨性和耐硫酸腐蚀性。铝酸钙水泥可以以胶接黏结剂组分总质量的大于0质量/重量％至小于或等于约15质量％存在于胶接组合物中，可选地大于或等于约3质量/重量％至小于或等于约10质量％存在于胶接组合物中，并且在某些变型中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约5质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，铝酸钙水泥可以以总组合物的大于或等于约0.5质量％至小于或等于约6质量％存在于胶接组合物中，可选地以总组合物的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，铝酸钙水泥以总组合物约2.4质量％存在于胶接组合物中。
胶接组合物还包含细骨料，例如惰性砂或惰性细碎石。细骨料具有约95％通过9.5mm筛(3/8英寸筛)的粒度分布。在某些变型中，细骨料是砂。固体骨料分布在胶接基质内以形成复合物。在某些变型中，骨料可以基本上均匀地分布在所形成的胶接复合物(例如，混凝土)内。细骨料可以包括平均粒度小于或等于约2mm的砂。在一个非限制性的变型中，骨料可以是可从U.S.Silica商购的F-75二氧化硅或石英砂。细骨料可以以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约20质量/重量％至小于或等于约65质量％存在于胶接组合物中，可选地大于或等于约30质量/重量％至小于或等于约60质量％存在于胶接组合物中，并且在某些变型中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约45质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，细骨料(诸如砂)可以以总组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约40质量％存在于胶接组合物中，可选地以总组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约30质量％存在于胶接组合物中。
胶接组合物还包括高效减水剂(HRWRA)，也称为增塑剂/超增塑剂。HRWRA的包含可用于使胶接组合物中所需的含水量减少约10％至约30％。HRWRA可以为胶接组合物产生高流动性和良好的流动性特性，通过在沉积之后帮助消除对任何振动或压实的需要，有助于使胶接组合物适合于增材制造。合适的HRWRA的一个示例是作为
Figure BDA0003142174660000163
190可从W.R.Grace商购的低黏度聚羧酸盐类高效减水外加剂(low viscosity polycarboxlatebased high-range water-reducing admixture)。HRWRA可以以胶接黏结剂组分总质量的大于或等于约0.3质量/重量％至小于或等于约1.5质量％存在于胶接组合物中，可选地大于或等于约0.4质量％至小于或等于约1.3质量％存在于胶接组合物中，并且在某些变型中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约0.8质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，HRWRA可以以总组合物的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约0.8质量％存在于胶接组合物中。在一个变型中，总胶接组合物具有约0.4质量％的HRWRA。
在其他方面，胶接组合物包括至少一种类型的聚合纤维，该聚合纤维分布在胶接基质内以形成复合物(与骨料固体材料组合)。在某些变型中，多个聚合物纤维可以基本上均匀地分布在所形成的胶接复合物(例如混凝土)内。在某些方面，经由增材制造来沉积胶接组合物时，多个聚合物纤维可以基本上以预定方向对齐。聚合物纤维可具有单一组合物或可包括不同组合物的混合物或其他所选择特性(例如不同的长度或直径)的组合。聚合物纤维可包括多种不同的聚合物；然而，在某些变型中，纤维可以包括聚乙烯醇(PVA)或聚烯烃(polyalkylene)纤维，例如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，包括高韧性聚丙烯(hightenacity polypropylene,HTPP)纤维。在其他方面，聚合物纤维可以是天然聚合物纤维，例如剑麻(sisal)、黄麻(jute)、卡罗阿叶纤维和/或纤维素类纤维。在某些变型中，聚合纤维可以是油涂覆的。该油涂层可以为结合的油涂层和纤维总质量/重量的、按质量计大于或等于约1％至小于或等于约1.5％，例如，按质量计约1.2％。
聚合物纤维的纵横比可以是产生具有期望的可打印性和拉伸延性性能的胶接组合物的一个因素。虽然使纤维的长度最大化有利于增加所形成的胶接复合物的机械强度，但胶接组合物中包含的太长的纤维会影响3D打印过程中的加工性，例如，导致可以堵塞/阻塞3D打印系统的成球(balling)或团聚。聚合物纤维可以具有大于或等于约150的纵横比(AR)或纤维的长度(L)与纤维的直径(D)之间的比率(AR＝L/D)。在某些变型中，AR可以为大于或等于约150至小于或等于约900。对于PVA纤维，示例性的AR可以为约300，而对于聚丙烯纤维，示例性的AR可以为约800。
在某些变型中，胶接组合物中使用的聚合物纤维具有的长度大于或等于约4mm至小于或等于约20mm、可选地大于或等于约6mm至小于或等于约15mm、可选地大于或等于约8mm至小于或等于约12mm，并且在某些变型中，可选地大于或等于约8mm至小于或等于约10mm。在某些变型中，胶接组合物中使用的聚合物纤维具有的直径为大于或等于约10微米(μm)至小于或等于约200μm。在一个变型中，聚合纤维是PVA纤维，该PVA纤维可以具有约12mm的长度和约40微米的直径。在另一个变型中，聚合纤维是PP纤维，该PP纤维可以具有约12mm的长度和约12微米的直径。聚合物纤维可以以胶接组合物的总体积的大于或等于约1体积％至小于或等于约4.5体积％存在于胶接组合物中，可选地大于或等于约1.8体积％至小于或等于约4体积％存在于胶接组合物中，在某些变型中，可选地以约2体积％存在于胶接组合物中。在某些组合物中，2体积％为约2.9质量/重量％。
水也包括在胶接组合物中。水与胶接黏结剂组分(例如，波特兰水泥、铝酸钙和任何其他火山灰质材料，如飞灰)的质量比可以为大于或等于约0.2至小于或等于约0.55。在一变型中，水与胶接黏结剂组分的质量比为约0.43。水温可用于有意操纵特定胶接材料组合物的新鲜状态特性。由于胶接材料的火山灰反应的加速激活，水温影响新鲜状态流变性。水可以以总胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约35质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，水可以以总组合物的按质量计约20％至约21％(例如，约20.7％)存在。
在某些变型中，胶接组合物还包括选自以下项组成的组的一种或更多种组分：飞灰、微细二氧化硅、二氧化硅粉、绿坡缕石纳米粘土、纤维素类添加剂及它们的组合。
飞灰可以被添加到胶接组合物中并且用作火山灰/胶接材料。飞灰是一种工业副产物，例如，飞灰是从燃煤锅炉单元的流出物中收集的。飞灰可以用作部分波特兰水泥的替代品，以在有助于混凝土复合物的基质/黏结剂系统的胶接特性的情况下，降低形成整体产物所需的能量消耗并提高胶接组合物的环境友好性。在一变型中，飞灰可以是由ASTM C618指定的F级飞灰，该飞灰由无烟煤和/或烟煤的燃烧形成。ASTM C618要求F级飞灰至少包括70％的火山灰化合物(氧化硅、氧化铝和氧化铁)。飞灰可以以胶接黏结剂组分总质量的0质量/重量％至小于或等于约45质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的0质量％至小于或等于约35质量％存在于胶接组合物中，并且在某些方面中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约23质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，飞灰可以以总胶接组合物的0质量％至小于或等于约25质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，飞灰以总组合物约11质量％存在。
微细二氧化硅(MS)可以按重量计代替硅砂(silica sand)。微细二氧化硅通常具有大于或等于约50nm至小于或等于约200μm的平均粒度。在一变型中，微细二氧化硅的平均粒度大于或等于约50nm至小于或等于约200nm，例如，平均粒度可以为约150nm(小于0.1％的初级颗粒具有大于450nm的粒度)。微细二氧化硅提高了硬化速率(例如，参见图6)；然而，需要显著提高含水量以在胶接组合物中产生纤维的合适分散，并且在较高含水量下，水增加的作用占主导地位。尽管较高的水含量产生可接受的早期流动性，但它们也产生更长的硬化时间。合适的微细二氧化硅是Elkem
Figure BDA0003142174660000191
955，该Elkem
Figure BDA0003142174660000192
955可从Elkem商购。当存在时，微细二氧化硅可以以胶接黏结剂组分总质量的0质量/重量％至小于或等于约30质量％、可选地以胶接黏结剂组分总质量的0质量％至小于或等于约20质量％存在于胶接组合物中，并且在某些方面中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约10质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，微细二氧化硅可以以总胶接组合物的0质量％至小于或等于约15质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，微细二氧化硅可以以总组合物的大于或等于约4质量％至小于或等于约5质量％存在，例如以约4.8质量％存在。
研磨二氧化硅(也称为二氧化硅粉)可以被添加至胶接组合物中，并且通常具有大于或等于约40μm至小于或等于约300μm的粒度。除微细二氧化硅(MS)之外，引入研磨二氧化硅(GS)允许二者早期流动性和迅速的硬化速率。这可能是由于用MS和GS替代了硅砂而导致了更均匀的粒度分布-GS具有在F-75硅砂的那些值与MS的那些值之间的平均粒度。例如，微细二氧化硅具有约150nm的平均粒度，研磨二氧化硅具有大于或等于约40至小于或等于约70微米的平均粒度，并且硅砂具有大于或等于约200微米至小于或等于约300微米的平均粒度。合适的研磨二氧化硅/二氧化硅粉是U.S.Silica品牌的Sil-Co-SilTM75(晶体石英)。研磨二氧化硅可以以胶接黏结剂组分总质量的0质量/重量％至小于或等于约20质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的0质量％至小于或等于约10质量％存在于胶接组合物中，并且在某些方面中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约5质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，研磨二氧化硅可以以总胶接组合物的0质量％至小于或等于约10质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，研磨二氧化硅可以以总组合物的大于或等于约2质量％至小于或等于约3质量％存在，例如以约2.4质量％存在。
在多个方面中，胶接组合物中的骨料(包括任何细骨料如砂、微细二氧化硅和研磨二氧化硅)的总累积量可以为总组合物的大于或等于约15质量％至小于或等于约60质量％。
在其他方面，胶接组合物包括纤维素类添加剂，例如羟丙基甲基纤维素(HPMC)。一般地，HPMC操纵本发明胶接组合物在其新鲜状态下的黏度，例如，胶接组合物可用作提高黏度的增稠剂，防止泵送期间的离析(segregation)，并促进触变性。纤维素类添加剂可以以胶接黏结剂组分总质量的0质量/重量％至小于或等于约1.5质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的0质量％至小于或等于约0.8质量％存在于胶接组合物中，并且在某些方面中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约0.4质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，纤维素类添加剂可以以总胶接组合物的大于或等于约0质量％至小于或等于约0.6质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，纤维素类添加剂可以以总组合物约0.19质量％存在。
在某些方面，胶接组合物包括绿坡缕石纳米粘土(ANC)。绿坡缕石纳米粘土在增材制造期间促进胶接组合物在其新鲜状态下的触变性。ANC用量在可加工性进化的作用显示出增稠效果，其中，当混合成大批量时，流动性(流动性因子，Ff)降低，且硬化时间延长。因此，当包括绿坡缕石纳米粘土时，硬化速率略有增加。在0.5％胶接材料基础(C.M.)和0.8％C.M.用量的ANC下，也观察到对减轻可加工性损失的作用，如下进一步所讨论的。一种合适的剥落的绿坡缕石纳米粘土是称为ACTIGELTM208的活性矿物国际产品(Active MineralsInternational product)，该ACTIGELTM208是由产生纯的、均匀尺寸的、棒状(rod-shape)的矿物颗粒的专有过程制成的高度纯化的水合硅酸铝镁(绿坡缕石)。当存在时，ANC可以以胶接黏结剂组分总质量的0质量/重量％至小于或等于约3质量％存在于胶接组合物中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的0质量％至小于或等于约2质量％存在于胶接组合物中，并且在某些方面中，可选地以胶接黏结剂组分总质量的约0.5质量％存在于胶接组合物中。在其他方面，ANC可以以总胶接组合物的0质量％至小于或等于约0.9质量％存在于胶接组合物中。在一变型中，ANC以总组合物质量约0.25质量％存在。
在可弯曲和可打印的工程胶接复合材料的某些变型中，波特兰水泥以组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％存在，铝酸钙水泥以组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％存在，细骨料以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％存在，水以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约30质量％存在，高效减水剂(HRWRA)以组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％存在以及聚合纤维以组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.1质量％存在。组合物中也可以存在其他组分。
在某些其他变型中，可弯曲和可打印的工程胶接复合材料包括：波特兰水泥，该波特兰水泥以组合物的总质量的大于或等于约30质量％至小于或等于约40质量％存在；铝酸钙水泥，该铝酸钙水泥以组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％存在；细骨料，该细骨料以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约40质量％存在；水，该水以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约30质量％存在；高效减水剂(HRWRA)，该HRWRA以组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％存在；以及聚合纤维，该聚合纤维以组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.1质量％存在。所有范围均以未混合状态下总组合物的总重量的重量计百分比给出。
在另外的其他变型中，可弯曲和可打印的工程胶接复合材料包括：波特兰水泥，该波特兰水泥以组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％存在；铝酸钙水泥，该铝酸钙水泥以组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％存在；细骨料，该细骨料以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约38质量％存在；水，水以组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％存在；高效减水剂(HRWRA)，该HRWRA以组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％存在；聚合纤维，该聚合纤维以组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.2质量％存在；飞灰，该飞灰以组合物的总质量的大于或等于约5质量％至小于或等于约15质量％存在；二氧化硅粉，该二氧化硅粉以组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5.0质量％存在；微细二氧化硅，该微细二氧化硅以组合物的总质量的大于或等于约2.0质量％至小于或等于约8.0质量％存在；绿坡缕石纳米粘土，该绿坡缕石纳米粘土以组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5质量％存在；羟丙基甲基纤维素(HPMC)，该HPMC以组合物的总质量的大于或等于约0.05质量％至小于或等于约0.5质量％存在。
在变型方面，每个可重复使用的承载元件由可打印的胶接组合物形成，该胶接组合物可具有在28天时大于或等于约25MPa的抗压强度的硬化状态。此外，每个可重复使用的承载元件可以具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度，大于或等于约1％的拉伸应变能力。
在一个变型中，可弯曲混凝土或工程胶接复合材料(ECC)组合物包括ASTM I型波特兰水泥，F级飞灰，细磨石英砂，聚乙烯醇(PVA)纤维和自来水。石英砂具有75μm的平均直径，2.63g/cm3的密度。PVA纤维具有8毫米的长度，39μm的直径，1,300kg/m3的密度。在一个变型中，PVA纤维分别具有约1.6Gpa的拉伸强度、43GPa的杨氏模量和约6％至约8％的破裂伸长。在混合物中，水与粘合剂的比例可以为0.25；砂与粘合剂的比例可以为0.36；且PVA纤维的体积百分比为胶接组合物的体积的2％。粘合剂基质包括，按质量计，30％的水泥和70％的飞灰。使用的高效减水剂(HRWRA)的用量为粘合剂基质的0.1体积％，以使混合物自固化。
可弯曲和可打印的工程胶接复合材料是工程胶接复合材料(ECC)的一种形式，具有高拉伸延性的特征。通常，与峰值拉伸应力相对应的拉伸应变高于4％，超过常规混凝土的拉伸应变的400倍。一旦破裂，常规混凝土便无法抵抗拉伸力，而ECC则保持了对拉伸力的抵抗。与纤维增强混凝土相比，ECC表现出应变硬化性能，这意味着在初始微裂纹之后，拉伸应力随着拉伸应变继续增加。工程胶接复合材料(ECC)组合物的独特抗拉力使ECC成为抵抗地震载荷、冲击载荷和螺栓固定或锚固力的有吸引力的结构材料。
除了独特抗拉力之外，ECC还具有独特的裂纹图案和耐久性。由于分散在ECC基质中的短切纤维的桥接效应，ECC具有受控的紧密裂纹宽度(小于或等于约60μm)。在运输特性方面，受控的裂纹宽度确保了破裂的ECC的表现的类似于未破裂的ECC。更有趣的是，紧密的裂纹可以在存在水分的空气中自我修复。修复后的ECC表现出与完整ECC样本相当的硬度和渗透性。在ECC中PVA纤维的使用还改善了ECC在高温或火灾隐患下的抗散裂强度。此外，可以预期的是，ECC组合物还可以通过掺入功能材料而具有多功能性。例如，炭黑可以用以增加ECC的电导性并实现自感应功能。可以将二氧化钛纳米颗粒添加到ECC中以实现自清洁和空气净化功能。
每个承载元件可以通过将新鲜状态的可打印的胶接组合物沉积在基板上来形成。例如，可打印的胶接组合物可以穿过孔以将胶接组合物沉积到目标上。在新鲜状态下，胶接组合物是可流动和可挤压的，沉积后，胶接组合物形成硬化状态，表现出大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、大于或等于约1％的拉伸应变能力以及在100小时大于或等于约20MPa的抗压强度。附加地或替代地，每个承载元件可以通过用工程胶接复合材料填充预制件或模具的腔体来形成，无论是通过打印还是通过传统的填充模具的方法。
在其他方面，胶接组合物是工程地质聚合物复合材料(EGC)，例如那些被描述在“大野(Ohno)等人，“An Integrated Design Method of Engineered GeopolymerComposite(工程地质聚合物复合材料的一体设计方法)”，水泥和混凝土复合材料88，第73-85页(2018)”中，其相关部分通过引用并入本文。如上记录的，EGC材料类似于上述的ECC材料，包括可打印的ECC材料，但是缺少波特兰水泥基质。因此，通常的EGC组合物是具有高拉伸延性和多个微裂纹特性的应变硬化纤维增强的地质聚合物复合材料。
通常，一种合适的EGC组合物包括飞灰(例如上述的F级飞灰)、细骨料(如上所述硅砂)、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维(如那些上文所述)和水。
一种合适的EGC工程胶接组合物包括：细骨料，该细骨料以胶接组合物的大于或等于约17质量％至小于或等于约22质量％存在；飞灰，该飞灰以胶接组合物的大于或等于约50质量％至小于或等于约60质量％存在；水，该水以胶接组合物的大于或等于约7质量％至小于或等于约12质量％存在；聚合纤维，该聚合纤维以胶接组合物的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约1.5质量％存在；硅酸钠(Na2SiO3)，该硅酸钠以胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约15质量％存在；以及氢氧化钠(NaOH)，该氢氧化钠以胶接组合物的大于或等于约2.5质量％至小于或等于约3.5质量％存在。
如图1的非限制性简化设计所示，通过将多个可重复使用的承载元件54组装在一起，在基板52(可以被研磨)上形成了用于建筑物的墙壁形式的承载结构50。可以通过将第一可重复使用的承载元件60邻近第二可重复使用的承载元件62放置来形成承载结构50，使得第一可重复使用的承载元件60相对于第二可重复使用的承载元件62固定。第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62均具有互补的侧表面64、66，该互补的侧表面可被定位成彼此邻近并接触，从而在第一可重复使用的承载元件与第二可重复使用的承载元件之间限定界面68。因此，界面68可以在其间形成具有最小间隙的紧密结合，并且在某些方面，界面68可以是水密的或防风雨的。在某些变型中，可以在第一可重复使用的承载元件60与第二可重复使用的承载元件62之间设置诸如粘合剂、砂浆、膜、绝缘材料等的不同材料；然而，在某些优选的方面，在第一可重复使用的承载元件60与第二可重复使用的承载元件62之间没有额外的材料。在传统的建造技术中，湿接合是用砂浆、粘合剂或化学接合形成的。因此，在某些方面中，在某些实施方式中，不使用粘合剂或砂浆将可重复使用的承载元件54彼此固定。在形成承载结构50中缺乏任何粘合剂或砂浆的使用，提供了在拆卸后重新使用承载元件54的增强能力。因此，第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62因此限定了承载结构50中的第一排70。
该方法还包括将第三可重复使用的承载元件80放置在第一可重复使用的承载元件60的上表面82上方。第四可重复使用的承载元件84设置在第一可重复使用的承载元件60的上表面82的一部分上方并且邻近第三可重复使用的承载元件80的侧表面86。可以看出，第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84彼此具有不同的尺寸。第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84限定了承载结构50中的第二排72。此外，第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62具有与第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84不同的形状，其中第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62具有与基板52的平面相对应的平面或平坦底部。
值得注意的是，第一可重复使用的承载元件60、第二可重复使用的承载元件62、第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84中的每个均具有在其中限定的预制的一体成形的互锁特征部。更具体地，第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62均具有凹陷区域(recessed region)90(例如，形成在上表面82上)。第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84中的每个具有预制的一体成形的特征部，该特征部为第三可重复使用的承载元件80的下表面94上和第四可重复使用的承载元件84的下表面96上的至少一个突起92的形式。值得注意的是，突起92均具有与凹陷区域90互补的形状和尺寸。这是每个可重复使用的承载元件54可以固定到邻近的可重复使用的承载元件的方式的一个非限制性示例。
如图所示，第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84不仅具有分别形成在下表面94和96中的突起92，而且还具有分别形成在第三可重复使用的承载元件80和第四可重复使用的承载元件84的上表面102和104中的凹陷区域100。因此，如图1所示，可以将多个可重复使用的承载元件54放置并组装在一起，以限定承载结构50。应当理解，图1是模块化建造的概念的简化视图，但是可以用于形成具有多种不同种类的可重复使用的承载元件的复杂的三维形状的结构。
在某些方面，形成负载结构还包括在放置之后将所述第一可重复使用的承载元件耦接至所述第二可重复使用的承载元件。在某些方面，这可以简单地包括设置具有一个或多个一体成形的特征部的可重复使用的承载元件，使得承载元件与邻近的可重复使用的承载元件嵌套或配合。在其他实施方式中，耦接可以包括经由机械式互锁接合可重复使用的承载元件的一个或多个区域。例如，第一可重复使用的承载元件包括第一机械式互锁特征部，且第二可重复使用的承载元件可包括第二机械式互锁特征部，其中，第一机械式互锁特征部配置为与第二机械式互锁特征部互补。在某些其他变型中，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件也可以例如通过一个或多个紧固件108接合或耦接在一起，该紧固件可以包括具有螺母的螺栓，螺母在界面68处与第一可重复使用的承载元件60和第二可重复使用的承载元件62的互补的侧表面64、66耦接。值得注意的是，虽然未示出，但是这种紧固件108可以选择性地放置在承载结构50的某些区域中，而不是在各侧向界面处。因此，在某些方面，所述耦接包括将第一可重复使用的承载元件机械地紧固至第二可重复使用的承载元件。
在可重复使用的承载元件由诸如ECC的材料形成的情况下，可以预期多种接合或耦接方法。这包括例如使用榫槽(tongue and groove)的传统木材接合方法，该方法可以通过使用粘合剂进行补充。使用螺母和螺栓(例如，钢螺母和螺栓)进行木材接合的另一种形式可能更适合于自动化组装和拆卸，而不是使用胶水。通常，钢螺栓可以承受拉力，尽管仍会向可重复使用的承载元件施加集中的压缩应力。ECC材料的非脆性特性有助于避免在螺栓张紧和结构负载过程中接合处的局部破坏，这对于施加过大载荷时会出现脆性断裂的传统混凝土结构和砖是不可能的。ECC材料提供了抗压强度和拉伸延性的平衡组合，理想地提供了在锚固区中ECC的耐损坏性能。
值得注意的是，在某些变型中，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件均包括基本上没有任何金属加强组分(例如金属加强筋)的胶接材料。在某些其他变型中，该承载结构可以基本上没有任何金属加强组分，例如金属加强筋(metal rebar)。虽然在某些变型中，承载结构可以基本上由可重复使用的承载元件组成，但在其他变型中，在制造过程中包括加强物、门、窗户和其他组分的其他材料可以集成到承载结构中。然而，对于较大的承载结构，作为非限制性实施例的，例如桥梁、道路和摩天大厦，承载结构中可以包括金属加强件。因此，在某些方面，考虑组装的承载结构的后张紧。与可重复使用的承载元件类似，后张紧可以在结构寿命结束时轻松拆卸。
尽管可重复使用的承载元件54的放置可由劳动者手动完成，但是在某些方面，多个用于形成承载结构50的每个可重复使用的承载元件54的放置可以通过自动化和/或计算机引导的过程来完成。在某些方面，自动化过程可以包括放置单个可重复使用的承载元件54的机器人。
在某些其他方面，本公开考虑通过去除每个相应的可重复使用的承载元件来进一步拆卸承载结构。承载结构可以被认为是初始承载结构，并且可以由第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件中的至少一个形成第二承载结构。值得注意的是，经受过度磨损或退化的任何可重复使用的承载元件可以在结合到新的升级改造的第二承载结构中之前，被选择性地去除。因此，第一可重复使用的承载元件和第二可重复使用的承载元件是多个可重复使用的承载元件的一部分，该多个可重复使用的承载元件用于形成承载结构。
在某些其他方面，如上所述，本公开的方法还包括通过用可打印的胶接组合物进行增材制造来形成可重复使用的承载元件。这样的可重复使用的承载元件可以在建造现场上形成，或者替代地在现场以外的工厂预先制造。
在各个方面，本教导提供了一种新的民用基础设施建造方案，该方案能够满足各种目的，包括减少气候变化、解决劳动力短缺问题、以及提高建造生产率。在某些变型中，可以设计和3D打印高质量的耐损可重复使用的承载元件，而在组装在一起时可以由这样的可重复使用的承载元件形成的承载结构的尺寸和复杂性限制较少。此外，这种可重复使用的承载元件可以很容易地拆解成单个单元，并且因此这种可重复使用的承载元件可以重新配置并用使用于其他项目中。
在某些方面，可在高度自动化的工厂中制造可重复使用的承载元件，从而允许高技术的、知识密集型的操作来代替劳动密集型的建造工作。在现代化的工厂环境中，可以采用增材制造技术(3D打印)来产生具有很少或没有废料流的高精度承载元件。3D打印还允许在每个相应的承载元件内限定复杂的细节和一体成形的特征部。所制造的承载元件的现场组装还可以利用现代机器人来激光引导相应的元件的定位和快速接合。在承载结构的寿命结束时，这些相同的技术可以用于有效的拆除建造(de-construction)，从而来快速拆卸和重新配置为新的结构。
在图2中描述了根据本公开的某些方面的用于承载元件的生命周期150。更具体地，在160处，可以首先设计可重复使用的耐损承载元件。接下来，在162处，可重复使用的耐损承载元件可以由可打印的胶接ECC材料在工厂中经由增材制造进行3D打印。在某些方面，承载元件可以在分布式仓库中被标记和被清点(inventory)、被选择(基于来自数字化建筑或结构设计的信息)并被运输到建造现场，并使用计算机视觉辅助机器人组装成结构。
在164处，进行特定承载结构(例如，基础设施)的建筑信息模型(buildinginformation modeling,BIM)和数字设计，该特定的承载结构包括在160处形成的可重复使用的耐损承载元件。在166处的建造现场，可以使用机器人组装(可以通过手动组装来补充)来形成承载结构，例如建筑物。在168处，当承载结构(例如，建筑物)达到使用寿命结束点时，包括可重复使用的耐损承载元件的结构可以被机器人地拆卸(可以通过手动拆卸来补充)，并翻新。单个承载元件将朝另一个建造现场移动，并且可以重新配置为不同的结构(例如，桥梁)或返回库存以备将来再次使用。
因此，在170处，可重复使用的承载元件的部分或全部机器人的组装件可用以形成第二下游承载结构。在重新组装之前，如果嵌入式传感器检测到劣化，则损坏的承载元件将返回工厂，在进行清点之前可以对损坏的承载元件进行翻新。重点可以是通过创建可快速接合的模块化元件，建造自动化和数字化、以及完全的元件/材料的重复使用和碳固存。
图3A至图3D示出了根据本公开的某些方面的用于模块化建筑系统中的可重复使用的耐损承载元件的代表性系统。通常，可重复使用的耐损承载元件(在本文中称为“元件”)满足以下条件中的一个或多个：(1)元件之间用干接合(dry joint)连接，干接合可在不损坏元件的情况下分离；(2)接合不是限制元件机械性能的最弱位置；(3)这些元件具有适当的高机械负载阻力；(4)组装和拆卸操作可由机器人系统完成；(5)元件可以在现场外高质量的预先制造。除了这些要求之外，本文所述的元件也适用于单人手动操作。考虑到这些因素，这些元件被设计为经由以抗剪键和钢螺栓形式的机械紧固件的干接合进行接合。
如图3A所示，第一可重复使用的耐损承载元件200限定了具有中空的中心开口212的四个壁210(因为具有六个侧面的矩形棱柱在两个侧面上都没有壁，且中心区域中没有材料)。在未示出的替代变型中，矩形棱柱可在中心区域具有材料。第一元件200包括限定在第一壁222上的、呈突起220的形式的至少两个互锁特征部。如图所示，突起220限定了能够安置在具有互补形状的凹部内的截锥柱形状。然而，也可以考虑其他形状，这些形状允许在组装期间与互补的凹部安置或嵌套，且允许在拆卸期间方便地移除。第一壁222还包括多个第一孔224。第二壁226还限定了多个第二孔28，该多个第二孔与多个第一孔224对准并且横向地定位。多个第一孔224和多个第二孔228可以是抗剪键和孔系统的一部分，其中抗剪键是用以提供横向约束并减少元件(诸如壁)的滑动的结构特征部。以这种方式，多个第一孔224和多个第二孔228配置成接收机械元件(诸如螺栓类的紧固件(未示出))的至少一部分。此外，如下面将进一步描述的，多个第一孔224和多个第二孔228被设计以与系统中的其他孔对准，使得机械紧固件可以从多个第一孔224和多个第二孔228中穿过。在某些变型中，尽管图3A未示出具有孔的其他壁210，但是根据所需加强的方向和程度，那些孔可以被包括在其他壁中。
在一变型中，第一元件200可具有约220mm的高度“H”，约325mm的宽度“W”和约300mm的长度“L”。选择的壁210的第一厚度“t1”在某些变型中可以是均匀的，例如约30mm。然而，如图所示，第二壁226的第二厚度“t2”大于第一厚度“t1”，例如，第二厚度可以是50mm。在模块化建造系统中，第一元件200可以被认为是“全”尺寸的块。
图3B示出了第二可重复使用的耐损承载元件250，与第一元件200相比，第二可重复使用的耐损承载元件250可以被认为是“半”元件。第二元件250包括具有中空的中心开口262的四个壁260，中空开口262也限定矩形棱柱形状。第二元件250包括限定在第一壁272上的、呈突起270的形式的一个互锁特征部。如图所示，突起270限定了能够安置在具有互补形状的凹部内的截锥柱形状。然而，也可以考虑其他形状，这些形状允许在组装期间与互补的凹部安置或嵌套，且允许在拆卸期间方便地移除。值得注意的是，在第二元件250的第一壁272上的突起270具有与图3A中第一元件200的第一壁222上限定的突起220相同的形状。第一壁272还包括多个第一孔274。第二壁276还限定了多个第二孔278，该多个第二孔与多个第一孔274对准并且横向地定位。如上所述，多个第一孔274和多个第二孔278可以是抗剪键(shear key)和孔系统的一部分，使得多个第一孔274和多个第二孔278与模块化建筑系统中的其他元件上的孔对准，并配置成接收机械元件(诸如螺栓类的紧固件(未示出))的至少一部分。
第二元件250可以被认为是“半”尺寸的块。在一变型中，第二元件250可具有约220mm的高度“H”，约162.5mm的宽度“W”和约300mm的长度“L”。选择的壁260的第一厚度“t1”在某些变型中可以是均匀的，例如约30mm。然而，如图所示，第二壁276的第二厚度“t2”大于第一厚度“t1”，例如，第二厚度可以是50mm。
图3C示出了可重复使用的耐损承载公板组件300。公板组件300是限定一个壁310的固体结构。公板组件300包括限定在壁310上的、呈突起320的形式的两个互锁特征部。如图所示，突起320限定了能够安置在具有互补形状的凹部内的截锥柱形状。然而，也可以考虑其他形状，这些形状允许在组装期间与互补的凹部安置或嵌套，且允许在拆卸期间方便地移除。值得注意的是，公板组件300上的突起320通常放置在相同的位置，并且具有与图3A中的第一元件200的第一壁222上限定的突起220和图3B中的第二元件250的第一壁272上的突起270相同的形状。第一壁310还包括多个孔330。再次，如上所述，孔330可以是抗剪键和孔系统的一部分，使得孔330可以与模块化建筑系统中的其他元件上的其他孔对准，并因此配置成接收机械元件(诸如螺栓类的紧固件(未示出))的至少一部分。
公板组件300可具有约220mm的高度“H”，约330mm或替代地162.5mm的宽度“W”以及约30mm或替代地50mm的厚度“t”。
图3D示出了可重复使用的耐损承载母板组件350。母板组件350是限定一个壁360的固体结构。母板组件350包括限定在壁360上的、呈凹部370的形式的两个互锁特征部。如图所示，突起370限定倒置的截锥柱形状，该倒置的截锥柱形状能够接收具有互补形状的突起(如图3A中的第一元件200的第一壁222上限定的突起220和图3B中的第二元件250的第一壁272上的突起270)。然而，也考虑允许互补突起的安置或嵌套的其他形状。值得注意的是，母板组件350上的凹部370通常设置在相同的位置，并且具有与图3A中的第一元件200的第一壁222上限定的突起220和图3B中的第二元件250的第一壁272上的突起270相同的形状。壁360还包括多个孔380。再次，如上所述，孔380可以是抗剪键和孔系统的一部分，使得孔380与模块化建筑系统中的其他元件上的其他孔对准，并因此配置成接收机械元件(诸如螺栓类的紧固件(未示出))的至少一部分。
母板组件350可具有约220mm的高度“H”，约330mm或替代地162.5mm的宽度“W”以及约50mm或替代地30mm的厚度“t”。
在第一元件200、第二元件250、公板组件300和母板组件350中的每个中，互锁特征部(突起和凹部)的放置和数量可以与图示的不同。此外，凹部可以是突起，反之亦然。而且，虽然未示出，但是某些壁可以进一步包含附加的互锁特征部，例如突起和凹部。
图4示出了用以形成承载结构的部分组装的模块化建筑系统400。模块化建筑系统400使用多个第一元件200、多个第二元件250、多个公板组件300和多个母板组件350。应当注意的是，这些类型的元件中的每一种都不是形成承载结构所必需的，而仅仅是说明性的。如图4所示，在一个实施例中，第一元件200在第一壁222上限定了突起220和多个第一孔224。如图4进一步所示，多个第一凹部410连同多个第二孔228一起被限定在在第二壁226上。同样地，第二元件250包括第一壁272上的突起270和多个第一孔274。在第二壁276上限定至少一个凹部412。第二壁276还包括多个第二孔278。以这种方式，第一元件200上的突起220在形状上与第二元件250上的凹部412互补。以这种方式，第一元件250的第一壁222和第二元件的第二壁276彼此相邻，使得至少一个第一互锁特征部(突起220)抵靠第二互锁特征部(凹部412))安置。虽然未示出，但是一个或多个紧固件可以设置在多个第一孔224和多个第二孔278中，以将第一元件200与第二元件250固定在一起，而无需任何粘合剂或砂浆。以这种方式，第一元件200、第二元件250、公板组件300和母板组件350中的每一个可以彼此组装。紧固件也可以穿过系统内的其他孔和壁，并且可以在模块化建筑系统400内的末端或中间点处被固定。如图所示，在中心区域420中将第一元件200和第二元件250组装在一起之后，将母组件350组装在形成所形成的承载结构的外侧的第一侧向边缘422上。公组件300形成所形成的承载结构的对向的外侧第二侧向边缘424。多个端板430可以用以在第一末端426上覆盖第一元件200或第二元件250的开口212或262。端板430可以具有可接收张紧器的一个或多个开口432。
图5和图8示出了图4中的模块化建筑系统400的完整组装件，该组装件形成了桥接件450形式的承载结构。桥接件450设置在升高的支承件460上，并因此从地面升起。桥接件450包括多个第一元件200、多个第二元件250、多个公板组件300和多个母板组件350。如在图6至图8中最佳地示出，桥接件450还包括在桥接件的第一末端426(图6)上以及对向的第二末端470(图7)上的多个端板430。多个第一张紧器或预加应力的钢筋472设置在一个或多个开口432中。在一个示例中，预加应力的钢筋472可包括由钢(例如具有827MPa的抗拉强度的5级钢)形成的螺栓。螺栓可以测量为12.7mm的公称直径和88.9mm的长度。多个第一紧固组件(例如螺母474)设置在每个螺栓472上。其他组件也可以形成紧固组件的一部分，例如垫圈、锁紧垫圈等。如图所示，两个螺母474被紧固到预加应力的钢筋472的端部。在第一末端426上，多个测压单元476可以设置在张紧组件或预加应力的钢筋472上。以这种方式，端板430中的张紧组件或预加应力的钢筋472经由第一元件200或第二元件250的开口212或262穿过中心区域420，并因此跨许多相应的组件延伸以在承载结构上实现预应力或张紧的预定水平。
如图8部分地示出，多个第二紧固组件(例如螺栓478)可以设置在第一元件200的相应孔224或228、第二元件250的孔274或278、公板组件300的孔330或母板组件350的孔380中，经由能够拆卸的干接合以耦接和连接组装件中相应的元件。螺栓478可以由螺母480固定。其他组件(例如垫圈、锁紧垫圈等)也可以形成紧固组件的一部分。应当理解，虽然仅部分地示出，但是这些紧固件478可以可选地存在于承载结构中的各对相应元件之间。
实施例
在该实施例中，由本公开的某些方面提供的模块化建筑系统用以创建承载桥梁结构。为了抵抗在结构的建造和操作过程中的各种载荷，使用了可弯曲混凝土以制造元件。基于可弯曲混凝土提出了元件的初步设计。由于在集中载荷下可弯曲混凝土的耐损坏性能，选择可弯曲混凝土作为用于元件的材料，从而使制成的元件通过钢螺母和螺栓接合，而不会发生脆性断裂。
更具体地，可弯曲混凝土(也被称为工程胶接复合材料(ECC))为使用ASTM I型波特兰水泥、F级飞灰、细磨石英砂、聚乙烯醇(PVA)纤维和自来水制备的混合物。石英砂具有75μm的平均直径，2.63g/cm3的密度。PVA纤维的长度为8mm，直径为39μm，且密度为1,300kg/m3；PVA纤维的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率分别为1.6Gpa、43GPa和6％-8％。在混合物中，水与黏结剂的比例为0.25；砂与黏结剂的比例为0.36；且PVA纤维的体积百分比为混凝土的体积的2％。按质量计，黏结剂由30％的水泥和70％的飞灰构成。使用高效减水剂，该高效减水剂的用量为黏结剂的0.1体积％，以使混合物自固化。
使用60-Qt.(57-L)霍巴特(Hobart)混合器将混合物混合。首先，在干燥条件下，将水泥、飞灰和石英砂以60rpm混合5分钟。然后，将高效减水剂溶解在水中并引入到混合器中，并以120rpm混合5分钟。最后，在2分钟内以60rpm手动添加PVA纤维，然后以120rpm混合3分钟。混合完成后，用手检查混合物，未发现纤维团聚。
根据ASTM C 109使用50毫米立方体确定抗压强度。每个测试中重复三个样品。加载速率一直保持在1.8kN/min，直到断裂。抗压强度为46MPa±2MPa。在图9A中示出的四个哑铃型样本以0.05mm/min的位移速率、在张力下进行测试。在图9A中，哑铃型样本的尺寸以mm示出。哑铃型样本的厚度(未显示尺寸)为约13毫米。图9B和9C示出了测试设备和被测试样本的截面图。
分别使用测试设备中的嵌入式测压单元和两个外部线性差动变压器测量80mm标距内的外加载荷和样本伸长率。形成拉力应力-应变曲线。混合物具有5.8MPa±0.2MPa的抗拉强度，4.6％±0.3％的极限应变。
可弯曲混凝土是工程胶接复合材料(ECC)的、具有高拉伸延性特征的一种形式。通常，与峰值拉伸应力相对应的拉伸应变高于4％，超过常规混凝土的拉伸应变的400倍。一旦破裂，常规混凝土便无法抵抗拉伸力，而ECC则保持了对拉伸力的抵抗。与纤维增强混凝土相比，ECC表现出应变-硬化性能，这意味着在初始微裂纹之后，拉伸应力随着拉伸应变继续增加。ECC的独特抗拉力使其成为抵抗地震载荷、冲击载荷和螺栓或锚固力的有吸引力的结构材料。
人行桥由作为模块化建筑系统的一部分的可重复使用的耐损承载元件形成，如图4至图5的文中示出和描述并测试的。此处，尽管可以通过增材制造来形成元件，但是元件通过用定制的模具浇筑而制造。由于需要准备模具、脱模并清洁模具，模具的使用导致用于制造元件的材料和时间的额外成本。在此实施例中，人行桥简单地支承在跨度距离为2.8m的刚性支承件上。人行桥被设计为抵抗其自重以及两个成年人走过桥的活动。桥的结构分析是使用ABAQETS软件建立的有限元模型进行的。使用八节点实体元(eight-node solidelement,C3D8R)对元件进行建模。由在有限元模型中采用的材料测试得到了材料特性。表面与表面硬接触被定义为每对接触的表面。通过影响线分析，确定了最不希望的载荷方案-在桥梁的中跨处施加行人载荷。根据有限元分析，在自重和行人载荷的组合下，桥梁的可弯曲混凝土的最大拉应力为4MPa，接近于初裂强度。结构被拆卸后，各种元件将被重新使用。因此，该结构被设计为在设计操作载荷下无裂纹。为避免裂纹，后加拉力的钢筋(post-tensioned bar)用以施加预应力。
人行桥的建造过程分为三个主要步骤：(1)组装预先制造的元件，(2)施加预应力，以及(3)将桥提升并放置在支承件上。图10描绘了组装顺序，相应的数字代表放置顺序(因此，1为首先放置，2为第二放置，依此类推)。在组装过程中，将元件被置于实验室中的平坦表面上；相邻的元件经由抗剪键和螺栓连接。使用转矩扳手向每套螺栓和垫圈(例如，钢螺栓、两个垫圈和一个锁紧垫圈)施加一致的扭矩(55N·m)，以确保元件之间的紧密干接合和螺栓附近的混凝土中的适当的局部应力。扭矩值通过有限元分析确定。
考虑到在相邻元件上的不同螺栓中的力的可能干扰，使用转矩扳手监测螺栓力，以确保所有螺栓都是紧固的。在安装完所有元件之后，将三个螺纹钢筋穿过中空部分以施加预应力(例如，图5和图8中所示的472)。钢筋的抗拉强度为414MPa。每个钢筋具有12.7毫米的公称直径。在人行桥的每一端处，使用三个钢板或端板430以将三个螺纹钢筋锚固在元件上。钢板的面积与元件的截面相符，并且钢板厚度为9.5毫米。钢的屈服强度为345MPa。在桥两端处，钢板与元件直接接触。为了穿过和锚定螺纹钢筋，每个钢板都具有测量直径为14毫米的孔。孔与板的形心之间的距离为25.4毫米。距离造成钢筋中的预应力偏心。力的偏心在桥中产生附加的力矩，进而在桥的底部产生较高的压应力、并且在桥的顶部产生较低的压应力。这有利于桥梁承受自重和行人载荷，因为自重和行人载荷都在桥的底部产生拉应力、并且在桥的顶部产生压应力。由于偏心，桥的中跨段在自重作用下没有拉应力。
在螺纹钢筋的每个端，使用垫圈和两个螺母以将钢筋锚固在钢板上。使用两个螺母可有效避免在施加预应力的过程中螺母的可能的滑动。使用扳手在桥的一端(即张紧端)施加每个螺纹钢筋中的预应力；桥的另一端即锚定端。使用安装在锚固端的负载传感器监测每个螺纹钢筋中的力。测压单元(如图6所示)放置在钢板和垫圈之间。测压单元具有44.5kN的测力能力，且制造商规定的非线性为额定输出的0.25％。通过迭代过程施加三个螺纹钢筋中的预应力，直到每个钢筋中的力达到10kN。最后，使用起重机将人行桥提起并放置在两个刚性钢支承件上。
进行机械测试以评估人行桥的承载性能。除了测量螺纹钢筋中力的测压单元之外，还使用光学追踪系统监测桥的变形，该光学追踪系统使用相机以测量三维运动、以及多个运动传感器500附接在人行桥的表面502上，如图11所示。与传统的位移传感器(例如线性差动变压器)相比，光学追踪系统可提供具有0.001mm测量精度的三维非接触式位移测量。该实施例使用附接在桥的侧表面上的六个运动传感器500。这六个传感器指定为520-530。光学追踪系统测量在部署运动传感器的三个部分处的桥的三维变形。
在架设桥之后，在施加任何行人载荷之前，将150公斤的钢元件放置在桥的中跨处作为用于检查在机械载荷下桥的响应的预载荷。根据来自运动传感器526和528的测量，由于钢元件的放置，桥的中跨垂直偏移小于1mm，这与有限元分析的预测一致。根据有限元分析，当施加的质量从150kg增加到450kg时，桥没有任何损坏，这意味着桥可以承载动态系数为3.0(＝450公斤/150公斤)的钢元件。通常，在简单支承的桥上移动载荷的动态系数小于2。预载荷测试和有限元分析表明行人载荷测试是安全的。最后，施加行人载荷。两名成年人以正常的步行速度(约1.4m/s)走过桥。两名成年人的总重量为约150kg。由于行人载荷而引起的中跨垂直偏移小于跨度长度的1/2000。在整个测试过程中，未观察到由于机械载荷引起的裂纹。该桥表现出合理的承载能力和刚度。换句话说，在结合的自重和行人载荷下，最大偏移小于跨度长度的1/2000，并且没有观察到可见的裂纹。
在上述测试之后，使用起重机将桥提升并放置在地面上。由于干接合，这些元件可以被拆卸。按照与组装过程相反的顺序拆卸桥。拆卸后，对桥的元件进行视觉检查，重点是在组装过程和机械测试中经受相对高应力的接合上。没有观察到可见的裂纹。在元件的边缘和拐角处观察到较小的碎裂，这可能是在元件运输过程中产生的。
为了展示元件的可重构性，来自人行桥的多个元件552被重新使用以组装按比例缩小的框架550，如图12所示。框架由两根柱体560和一个横梁562构成，模仿了建筑物中框架的一部分。与人行桥相比，框架550使用通过抗剪键和钢螺栓570和螺母572连接的相同元件552(仅在各个元件之间部分地示出)。应当理解，虽然仅部分地示出，但是这些螺栓570和螺母572可以存在于承载结构中的、各对相应的元件之间。可以按照相同的组装图案将更多的元件552添加到框架550中，以按比例放大框架并形成用于多层建筑的框架的主要结构。为了演示的目的，使用仅承受自重的元件552来组装框架550。在这项研究中没有施加额外的机械载荷或预应力。在实际应用中，根据结构分析结果，如果需要，可以施加后加张力预应力钢筋或钢筋束(tendon)来增强承载能力。
在该可行性研究中，出于演示的目的，手动组装和拆卸元件。在一个人的情况下，行人桥的组装操作花费约10小时，而拆卸操作花费约4小时。组装操作比拆卸操作花费更长的时间，主要是因为在每个螺栓中施加和检查扭矩中的迭代。在拆卸过程中无需进行此类迭代。可以使用可以显著改善建造效率的机器人系统来执行组装和拆卸操作。元件的放置和螺栓的安装可以由具有高精度的建造机器人进行。机器人可以使用来自相机的图像或视频来定位对象，并使用机械臂来拧紧或松开螺栓。螺栓中的力可以通过机械臂中的扭矩传感器进行测量，并且测得的螺栓力可以用以控制机械臂。根据建造机器人的现有实践，可以预见，将来通过使用机器人系统，人行桥的组装过程将花费不到1小时。
元件的初步设计用以测试可行性。元件的大小被确定以与用于单人手动操作相符。对于工业应用，通过考虑多个方面的优化过程可以确定元件的设计。首先，可以使用有限类型的标准元件和有限数量的特殊元件来组装结构。其次，元件的设计必须确保所组装的结构的适当机械性能，例如承载能力、抗震性、抗疲劳性等。第三，元件可以被设计为与用于数字化建造的机器人系统的有效载荷极限兼容。为了高的建造效率和质量控制，可以使用建造机器人组装和拆卸元件。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的单个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述，也可以在选定的实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变型不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (48)

1.一种形成承载结构的方法，所述方法包括：
通过将第一可重复使用的承载元件邻近第二可重复使用的承载元件放置来形成所述承载结构，使得所述第一可重复使用的承载元件相对于所述第二可重复使用的承载元件被固定，而不需要粘合剂或砂浆，其中所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述放置是自动化过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述承载结构是民用基础设施组件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述承载结构选自由以下项组成的组：建筑物、桥梁、道路、跑道、挡土墙、隔声墙、水工结构、隧道和它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成还包括在所述放置之后将所述第一可重复使用的承载元件耦接至所述第二可重复使用的承载元件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述耦接包括将所述第一可重复使用的承载元件机械地紧固至所述第二可重复使用的承载元件。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述承载结构为第一承载结构，并且所述方法还包括：拆卸所述承载结构，并且由所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件中的至少一个形成第二承载结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件的每个包括基本上没有任何金属加强组分的胶接材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述承载结构基本上没有任何金属加强组分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述形成之后，所述承载结构用张紧组件来张紧，所述张紧组件为能够拆卸的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件是多个可重复使用的承载元件的一部分，所述多个可重复使用的承载元件被组装以形成所述承载结构。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过利用具有新鲜状态和硬化状态的可打印的胶接组合物进行增材制造来形成所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件，其中，在所述新鲜状态下，所述可打印的胶接组合物在增材制造过程中是可流动的和可挤压的，并且在所述硬化状态下，所述可打印的胶接组合物表现出应变硬化，其中所述组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)以及聚合纤维。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有在28天时的抗压强度大于或等于约25MPa的硬化状态。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、以及大于或等于约1％的拉伸应变能力。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述形成还包括通过使所述可打印的胶接组合物穿过孔以将所述胶接组合物沉积到目标上、而以新鲜状态沉积所述可打印的胶接组合物，其中在所述新鲜状态下，所述组合物是可流动和可挤压的，并且在所述沉积后，所述胶接组合物形成硬化状态，所述硬化状态表现出大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、大于或等于约1％的拉伸应变能力、以及在100小时大于或等于约20MPa的抗压强度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件包括工程地质聚合物复合材料胶接组合物，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括飞灰、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
17.根据16所述的方法，其中，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括：以所述胶接组合物的大于或等于约17质量％至小于或等于约22质量％存在的所述细骨料、以所述胶接组合物的大于或等于约50质量％至小于或等于约60质量％存在的所述飞灰、以所述胶接组合物的大于或等于约7质量％至小于或等于约12质量％存在的水、以所述胶接组合物的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约1.5质量％存在的所述聚合纤维、以所述胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约15质量％存在的硅酸钠(Na2SiO3)、以及以所述胶接组合物的大于或等于约2.5质量％至小于或等于约3.5质量％存在的氢氧化钠(NaOH)。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约1米的至少一个尺寸。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件分别具有大于或等于约0.3米(约1英尺)的第一尺寸、大于或等于约1米(约3英尺)的第二尺寸、以及大于或等于约2米(约6英尺)的第三尺寸。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件包括第一机械式互锁特征部，并且所述第二可重复使用的承载元件包括第二机械式互锁特征部，其中，所述第一机械式互锁特征部被配置为与所述第二机械式互锁特征部互补。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件中的至少一个包括一体成形的特征部。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述承载结构具有在外部环境中大于或等于约50年的寿命。
23.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：拆卸所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件，并且在没有粘合剂或砂浆的情况下重新组装所述第一可重复使用的承载元件和所述第二可重复使用的承载元件以形成第二不同的承载结构。
24.一种模块化建筑系统，其包括：
第一可重复使用的承载组件，其包括第一胶接组合物并且具有至少一个第一互锁特征部以及至少一个第一孔，所述至少一个第一互锁特征部限定突起或凹部，所述至少一个第一孔穿过第一壁限定；
第二可重复使用的承载组件，其包括第二胶接组合物并且具有至少一个第二互锁特征部以及至少一个第二孔，所述至少一个第二互锁特征部与具有所述突起或所述凹部中的另一个的所述第一互锁特征部互补，所述至少一个第二孔穿过第二壁限定，其中，所述第一壁和所述第二壁彼此相邻，使得所述至少一个第一互锁特征部抵靠所述第二互锁特征部安置；以及
紧固件，其设置在所述第一孔和所述第二孔中，所述紧固件将所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件固定在一起，而不需要任何粘合剂或砂浆。
25.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
26.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、和大于或等于约1％的拉伸应变能力。
27.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)和聚合纤维。
28.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括：以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％的所述波特兰水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％的铝酸钙水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％的所述细骨料、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约30质量％的水、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％的所述高效减水剂(HRWRA)，以及所述聚合纤维以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.1质量％存在。
29.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，所述细骨料包括具有小于或等于约2mm的平均粒度的砂。
30.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，所述聚合物纤维包括聚乙烯醇(PVA)。
31.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，所述聚合物纤维具有大于或等于约5mm至小于或等于约20mm的长度。
32.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物还包括以下中的一种或多种：飞灰、二氧化硅粉、微细二氧化硅、绿坡缕石纳米粘土、和羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
33.根据权利要求27所述的模块化建筑系统，其中，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括：以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约25质量％至小于或等于约40质量％的波特兰水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约1质量％至小于或等于约4质量％的铝酸钙水泥、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约38质量％的细骨料、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约18质量％至小于或等于约35质量％的水、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.2质量％至小于或等于约0.6质量％的高效减水剂(HRWRA)、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约2.2质量％的聚合纤维、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约5质量％至小于或等于约15质量％的飞灰、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5.0质量％的二氧化硅粉、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约2.0质量％至小于或等于约8.0质量％的微细二氧化硅、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.1质量％至小于或等于约5质量％的绿坡缕石纳米粘土、以所述胶接组合物的总质量的大于或等于约0.05质量％至小于或等于约0.5质量％的羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
34.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，每个相应的第一胶接组合物和第二胶接组合物包括工程地质聚合物复合材料胶接组合物，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括飞灰、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
35.根据权利要求34所述的模块化建筑系统，其中，所述工程地质聚合物复合材料胶接组合物包括：以所述胶接组合物的大于或等于约17质量％至小于或等于约22质量％存在的所述细骨料、以所述胶接组合物的大于或等于约50质量％至小于或等于约60质量％存在的所述飞灰、以所述胶接组合物的大于或等于约7质量％至小于或等于约12质量％存在的水、以所述胶接组合物的大于或等于约0.7质量％至小于或等于约1.5质量％存在的所述聚合纤维、以所述胶接组合物的大于或等于约10质量％至小于或等于约15质量％存在的硅酸钠((Na2SiO3)、以及以所述胶接组合物的大于或等于约2.5质量％至小于或等于约3.5质量％存在的氢氧化钠(NaOH)。
36.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，并且所述第二可重复使用的承载组件具有选自由以下项组成的组的形状：具有中空的中心区域的矩形棱柱、母板组件、公板组件及它们的组合。
37.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，所述中空的中心区域具有第一体积，并且所述第二可重复使用的承载元件限定具有中空的中心区域和第二体积的矩形棱柱，所述第二体积比所述第一体积小。
38.根据权利要求37所述的模块化建筑系统，其还包括限定母板组件的第三可重复使用的承载组件和限定公板组件的第四可重复使用的承载组件。
39.根据权利要求24所述的模块化建筑系统，其中，所述第一互锁特征部限定具有截锥柱形状的突起，并且所述第二互锁特征部限定凹部，所述凹部限定互补的截锥柱形状。
40.一种承载结构，其包括：
多个第一可重复使用的承载组件，其包括第一胶接组合物并且具有至少一个第一互锁特征部以及至少一个第一孔，所述至少一个第一互锁特征部限定突起或凹部，所述至少一个第一孔穿过第一壁限定；
多个第二可重复使用的承载组件，其包括第二胶接组合物并且具有至少一个第二互锁特征部以及至少一个第二孔，所述至少一个第二互锁特征部与具有所述突起或所述凹部中的另一个的所述第一互锁特征部互补，所述至少一个第二孔穿过第二壁限定，其中，所述第一壁和所述第二壁彼此相邻，使得所述至少一个第一互锁特征部抵靠所述第二互锁特征部安置；以及
多个紧固件，其分别设置在所述第一孔和所述第二孔中，所述多个紧固件将所述第一可重复使用的承载组件和所述第二可重复使用的承载组件的每个固定在一起，而不需要任何粘合剂或砂浆。
41.根据权利要求40所述的承载结构，所述承载结构选自由以下项组成的组：建筑物、桥梁、道路、跑道、挡土墙、隔声墙、水工结构、隧道和它们的组合。
42.根据权利要求40所述的承载结构，其中，所述多个第一可重复使用的承载组件和所述多个第二可重复使用的承载组件分别具有大于或等于约25MPa的抗压强度。
43.根据权利要求40所述的承载结构，其中，所述多个第一可重复使用的承载组件和所述多个第二可重复使用的承载组件分别具有大于或等于约2.5MPa的单轴抗拉强度、以及大于或等于约1％的拉伸应变能力。
44.根据权利要求40所述的承载结构，其中，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、细骨料、水、高效减水剂(HRWRA)和聚合纤维。
45.根据权利要求40所述的承载结构，其中，所述第一胶接组合物和所述第二胶接组合物包括飞灰、细骨料、硅酸钠(Na2SiO3)、氢氧化钠(NaOH)、聚合纤维和水。
46.根据权利要求45所述的承载结构，其中，所述多个第一可重复使用的承载组件限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，并且所述多个第二可重复使用的承载组件分别具有选自由以下项组成的组的形状：具有中空的中心区域的矩形棱柱、母板组件、公板组件及它们的组合。
47.根据权利要求40所述的承载结构，其中，所述多个第一可重复使用的承载组件的每个限定具有中空的中心区域的矩形棱柱，所述中空的中心区域具有第一体积，所述多个第二可重复使用的承载组件的每个限定具有中空的中心区域和第二体积的矩形棱柱，所述第二体积比所述第一体积小，并且所述承载结构还包括限定母板组件的多个第三可重复使用的承载组件和限定公板组件的多个第四可重复使用的承载组件。
48.根据权利要求40所述的承载结构，其还包括至少一个张紧组件，所述至少一个张紧组件连接到所述多个第一可重复使用的承载组件和所述多个第二可重复使用的承载组件的组装件。
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