CN116409959B - 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 - Google Patents
一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116409959B CN116409959B CN202310399383.3A CN202310399383A CN116409959B CN 116409959 B CN116409959 B CN 116409959B CN 202310399383 A CN202310399383 A CN 202310399383A CN 116409959 B CN116409959 B CN 116409959B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- building material
- biological
- solution tank
- printing building
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004566 building material Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 30
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 38
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 12
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 11
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 7
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 7
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 claims description 6
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 5
- 241000195649 Chlorella <Chlorellales> Species 0.000 claims description 4
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 4
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 3
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 claims description 3
- VSGNNIFQASZAOI-UHFFFAOYSA-L calcium acetate Chemical compound [Ca+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O VSGNNIFQASZAOI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 239000001639 calcium acetate Substances 0.000 claims description 3
- 229960005147 calcium acetate Drugs 0.000 claims description 3
- 235000011092 calcium acetate Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 claims description 3
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 claims 1
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 claims 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 23
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 9
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 8
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical group [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M Sodium bicarbonate-14C Chemical compound [Na+].O[14C]([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229920000704 biodegradable plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000796 flavoring agent Substances 0.000 description 1
- 235000019634 flavors Nutrition 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
- B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
- B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
- B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
- C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光诱导生物3D打印建筑材料，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1‑26g/L光合微生物、0.1‑30g/L生物培养基、15‑75g/L钙源、7‑45g/L碳源和0.001‑0.2g/L纳米沉积网架。本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造方法和设备。本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的力学性能，及其建造方法和设备实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料和土建施工技术领域，具体涉及一种光诱导生物3D打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备。
背景技术
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打印建筑材料多以机械驱动，难以实现在某些特殊环境下，如太空建造，深海/深地等环境的低碳无人建造。
微生物在常温常压的条件下，利用环境中极其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，提供了新的技术思路和发展方向。光合生物诱导碳酸钙沉积被认为是自然界中最常见的形式。
目前有以藻类为原料生产生物塑料，如公开号为CN109228323A的中国专利公开了一种用于打印藻类材料的3D打印设备及3D打印方法，该发明利用藻类聚合物来代替由石油等化石燃料制成的塑料，节能环保，减少大气的压力，且3D打印的精度和效率高，适合推广。以及将其应用于食品行业，如公开号为CN115500505A的中国专利公开了一种基于凝胶的3D打印制备藻类食品方法，通过选用天然藻类作为打印材料成分，并促进其生长繁殖，满足消费者的个性化风味、营养需求，且操作方便、安全环保、应用广泛。
如何将藻类原料与3D打印技术相结合制备增材建造建筑材料，特别是能够适用于特殊气候环境下有机无人建造，是本领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光诱导微生物3D打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备；本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的力学性能，及其建造方法和设备实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
本发明提供的技术方案为：
一种光诱导生物3D打印建筑材料，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1-26g/L光合微生物、0.1-30g/L生物培养基、15-75g/L钙源、7-45g/L碳源和0.001-0.2g/L纳米沉积网架。
优选地，所述的光合微生物为小球藻，蓝藻、硅藻、灌草等光合微生物的一种或者几种的组合。
本发明的技术构思在于：小球藻、蓝藻、硅藻、灌草等类光合微生物通过一定环境温度、湿度下新陈代谢过程中利用水中溶解的二氧化碳，打破溶液中碳酸根离子平衡，导致PH值升高，诱导溶液中钙离子沉积，通过成表面设置成核点干预形成晶体矿物，完成生物建筑材料制造过程。
其中，本发明通过光诱导生物3D打印建筑材料的原料的组成来调控钙浓度、无机碳浓度、环境pH值和成核点数，使其作为关键因素诱导机制控制光合微生物作用下的碳酸钙沉积，使光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的晶体排序和优越的力学性能。
优选地，所述的生物培养基包括但不限于葡萄糖、氨基酸、BG-11、TAP等的一种或者几种的组合。
优选地，所述的碳源包括但不限于碳酸氢钠、碳酸氢钠、碳酸乙烯酯等的一种或者几种的组合。
优选地，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。
优选地，所述的纳米沉积网架包括但不限于石墨烯、碳纳米管等可供光合微生物完成沉积聚集的微细观支架材料。
优选地，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括光合微生物11-18g/L、生物培养基7-9g/L、25-37g/L钙源、15-19g/L碳源和0.005g/L纳米沉积网架。通过调控原料配比，进一步优化钙浓度、无机碳浓度、环境pH值和成核点数这四者的协同作用，使光诱导微生物3D打印建筑材料具有更优越的力学性能。
本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造方法，根据上述的光诱导生物3D打印建筑材料，所述方法包括：
(1)称取光合微生物和生物培养基，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
(2)称取钙源，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
(3)称取纳米沉积网架，加入剩下的水搅拌均匀后注入溶液池；
(4)称取碳源，加入部分水搅拌均匀后，分次间隔注入溶液池；
(5)按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
(6)监测微生物种群密度、PH值，结合溶液池中的溶液浓度，优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩。
本发明提供的绿色建造方法能够在人力难以企及的特殊环境下，可适应恶劣环境下无人绿色智能建造；例如火星表面或者深海深地环境，利用光能导引微生物将无机物有序沉积，且可根据光诱导信号控制沉积速率和沉积层厚度，实现空间建造，具有绿色低碳、智能数控的优点，从而可以为特殊环境下的无人建造提供技术方案。
优选地，在步骤(4)中，将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h注入溶液池。本发明通过分步加入碳源的方式可以避免碳集中不利于沉积效率。
优选地，根据沉积速度和沉积层厚度在建造过程中置入增强纤维或/和增强筋材。
进一步优选地，所述增强纤维选自FRP纤维，PVA纤维，所述增材筋材选自FRP筋/绳、钢筋/丝；为不影响后续沉积保持良好协作，所述增强纤维的长度不大于10mm，直径不大于40μm；所述增强筋材表面需进行预处理。
本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备，所述设备从上至下依次包括：光源点阵、用于优化光照机制的光路控制盒和溶液池，所述溶液池的四周布设若干个液体注入口，微生物、培养基、碳源、钙源分别从不同的液体注入口注入到溶液池；所述溶液池的下部设有液体排出口，通过液体排出口控制开关进行控制。
其中，随着沉积层数和岩层厚度的增大，光源点阵和液体注入口均可随岩层抬升，保持光照机制和光诱导生物3D打印建筑材料按结构体型编程实现。
本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料，胶凝材料为光合微生物和生物培养基，通过调控原料配比可以使其利用光能将碳源、钙源在纳米沉积网架上按建造需求聚合成为建筑材料。本发明提供的建造方法以光诱导有机生物与无机复合溶液沉积成岩的方式实现建筑材料3D打印。本发明提供的建造方法通过控制光源点阵的空间分布、光照时间、光照强度，在优化的环境温度基础上以微生物菌落种类、浓度和PH值的协同实现诱导碳酸钙沉积实现建筑材料的增材制造，完成低碳智能建造建筑材料的空间成型和结构建造，具有良好的节能效率和力学性能，实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
附图说明
图1为本发明提供的一种诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备的结构图。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例以重量份数计，配置复合水溶液每升含硅藻18g、TAP培养基7g、25g氯化钙、15g碳酸氢钠、0.005g石墨烯。
实施例2
本实施例以重量份数计，配置复合水溶液每升含小球藻11g、葡萄糖+氨基酸培养基9g、37g醋酸钙、19g碳酸乙烯酯、0.005g碳纳米管。
实施例3
如图1所示，本发明提供的诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备从上至下依次包括：光源点阵1、用于优化光照机制的光路控制盒7和溶液池6，溶液池6的四周布设若干个液体注入口2，微生物、培养基、碳源、钙源和纳米沉积网架分别从液体注入口2注入到溶液池6；溶液池6的下部设有液体排出口5，通过液体排出口控制开关4进行控制。
以实施例1和实施例2提供的光诱导生物3D打印建筑材料进行绿色智能建造方法，具体包括：
(1)按照质量比例和目标浓度，分别称取光合微生物、生物培养基并加入1/3质量的水搅拌均匀，从液体注入口2注入生物胶凝材料；
(2)称取钙源物质，加入1/6的水搅拌均匀，从液体注入口2注入钙源材料；
(3)称取碳源物质，加入1/6的水搅拌均匀；
(4)将称取的纳米沉积网架加入剩下的1/3质量的水进行搅拌，并超声分散30min；
(5)将静置的沉积网架溶液3从液体注入口2缓慢注入；
(6)将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h，液体注入口2注入生物打印建筑材料设备注入混合溶液；
(7)按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
(8)监测微生物种群密度、PH值，通过液体排出口控制开关4控制液体排出口5状态，结合溶液池6的复合溶液浓度，利用光路控制盒7优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩。
其中，随着沉积层数和岩层厚度的增大，光源点阵1和液体注入口2均可随岩层抬升，保持光照机制和光诱导生物3D打印建筑材料按结构体型编程实现。
实施例1提供的建筑材料在光诱导机制下沉积得到的生物打印建筑材料7天打印厚度13mm，切割测试7天抗压强度在13Mpa以上，28天抗压强度19Mpa，满足建筑材料的建造要求。
实施例2提供的光诱导机制下沉积得到的生物打印建筑材料7天打印厚度17mm，切割测试7天抗压强度在9Mpa以上，28天抗压强度13Mpa，满足建筑材料的建造要求。
在特殊环境下，只要温度不低于0度(溶液保持液态)、有光有二氧化碳即可实现微生物诱导碳酸钙沉淀。由于该类环境均存在失重、微重力或者浮力抵消部分重力，或者三向受压提升材料强度的承载有利工况，因此实施例1和2提供的建筑材料的强度可以适用于特殊环境下的小型结构的建造。
综上所述，本发明以优化的环境温度、微生物菌落种类、浓度为基础，通过控制光源点阵的空间分布、光照时间、光照强度和调整PH值诱导碳酸钙空间沉积实现建筑材料的增材制造，完成低碳智能建造建筑材料的空间成型和结构建造。本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的光诱导可打印性能和力学性能，适用于实现特殊环境下无人建造，免模施工。
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。
Claims (7)
1.一种光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1-26g/L光合微生物、0.1-30 g/L生物培养基、15-75 g/L钙源、7-45 g/L碳源和0.001-0.2g/L纳米沉积网架；
所述的纳米沉积网架选自石墨烯或/和碳纳米管；
所述光诱导生物3D打印建筑材料的建造方法包括：
（1）称取光合微生物和生物培养基，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
（2）称取钙源，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
（3）称取碳源，加入部分水搅拌均匀后，分次间隔注入溶液池；
（4）称取纳米沉积网架，加入剩下的水搅拌均匀后注入溶液池；
（5）按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
（6）监测微生物种群密度、PH值，结合溶液池中的溶液浓度，优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩；
根据沉积速度和沉积层厚度在建造过程中置入增强纤维或/和增强筋材。
2.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的光合微生物选自小球藻，蓝藻、硅藻或灌草中的一种或至少两种的组合；所述的生物培养基选自葡萄糖、氨基酸、BG-11或TAP中的一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的碳源选自碳酸氢钠、或碳酸乙烯酯中的一种或两种的组合。
4.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的钙源选自氯化钙、硝酸钙或醋酸钙中的一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，在步骤（3）中，将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h注入溶液池。
6.根据权利要求5所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述增强纤维选自FRP纤维、PVA纤维；所述增强筋材选自FRP筋/绳、钢筋/丝；所述增强纤维的长度不大于10mm，直径不大于40μm；所述增强筋材表面需进行预处理。
7.一种权利要求1-6任一所述的光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备，其特征在于，所述设备从上至下依次包括：光源点阵、用于优化光照机制的光路控制盒和溶液池，所述溶液池的四周布设若干个液体注入口，微生物、培养基、碳源、钙源和纳米沉积网架分别从液体注入口注入到溶液池；所述溶液池的下部设有液体排出口，通过液体排出口控制开关进行控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310399383.3A CN116409959B (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310399383.3A CN116409959B (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116409959A CN116409959A (zh) | 2023-07-11 |
| CN116409959B true CN116409959B (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=87059310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310399383.3A Active CN116409959B (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116409959B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103221116A (zh) * | 2010-10-28 | 2013-07-24 | Ifp新能源公司 | 利用蓝藻细菌生产方解石和生物质出于能量目的利用co2和co2矿物截储的整合方法 |
| CN108947418A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-07 | 浙江大学 | 用于3d打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法 |
| CN110862244A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 华南农业大学 | 一种利用微生物诱导碳酸钙沉积制备生物砖的方法 |
| CN113754359A (zh) * | 2021-10-26 | 2021-12-07 | 纳思同(无锡)科技发展有限公司 | 一种适用于3d打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料 |
| WO2023041933A1 (en) * | 2021-09-17 | 2023-03-23 | Ucl Business Ltd | Engineered living materials |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014042696A1 (en) * | 2012-09-12 | 2014-03-20 | Gonzalez, Marcos | Composites having novel organic components and methods of manufature |
| EP3475244A1 (en) * | 2016-06-24 | 2019-05-01 | Universitetet I Oslo | Bio-catalytic calcium carbonate cementation |
| US11104030B2 (en) * | 2018-06-04 | 2021-08-31 | City University Of Hong Kong | Method for constructing a printed ceramic object and a ceramic object constructed by the same |
-
2023
- 2023-04-14 CN CN202310399383.3A patent/CN116409959B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103221116A (zh) * | 2010-10-28 | 2013-07-24 | Ifp新能源公司 | 利用蓝藻细菌生产方解石和生物质出于能量目的利用co2和co2矿物截储的整合方法 |
| CN108947418A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-07 | 浙江大学 | 用于3d打印的碳纳米管/纤维混凝土及其制备方法 |
| CN110862244A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 华南农业大学 | 一种利用微生物诱导碳酸钙沉积制备生物砖的方法 |
| WO2023041933A1 (en) * | 2021-09-17 | 2023-03-23 | Ucl Business Ltd | Engineered living materials |
| CN113754359A (zh) * | 2021-10-26 | 2021-12-07 | 纳思同(无锡)科技发展有限公司 | 一种适用于3d打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "3D 打印混凝土永久模板叠合梁抗弯性能研究";孙晓燕等;《土木工程学报》;20221031;1-10 * |
| "Shear performance of 3D printed concrete reinforced with flexible or rigid materials based on direct shear test";Xiaoyan Sun et al.;《Journal of Building Engineering》;20211220;1-12 * |
| 微生物诱导沉积碳酸钙机理及其在混凝土裂缝修复中的应用;代光志;徐潇航;丁聪;;混凝土与水泥制品;20201231(10);7-13 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116409959A (zh) | 2023-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101720685B (zh) | 刺参优质苗种的高强度选择培育方法 | |
| CN1317379C (zh) | 微藻规模培养的管道光生物反应器 | |
| CN203661824U (zh) | 地上建楼房、地下建生态循环水养鱼车间的建筑结构 | |
| Chen et al. | Systematic optimization of a novel, cost-effective fermentation medium of Sporosarcina pasteurii for microbially induced calcite precipitation (MICP) | |
| CN105316217A (zh) | 人工光源微藻养殖装备 | |
| CN103289888A (zh) | 一种插板式微藻半干固态贴壁培养装置 | |
| CN102584073A (zh) | 裂缝自修复水泥基材料添加剂及其使用方法和水泥基材料 | |
| CN101473802B (zh) | 高密度水产养殖方法 | |
| CN104328030A (zh) | 夹心结构的表面生长式培养板、系统及培养方法 | |
| CN116409959B (zh) | 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 | |
| CN101984043A (zh) | 一种开放式硅藻养殖方法 | |
| CN104328029A (zh) | 核壳结构的表面生长式光合微生物培养板、培养单元、系统及培养方法 | |
| CN204298380U (zh) | 夹心结构的表面生长式培养板、培养单元及培养系统 | |
| CN1724637A (zh) | 通过pH值反馈控制补碳培养微藻的方法 | |
| CN106465695A (zh) | 一种强化型生态基及其制备方法 | |
| CN111423985B (zh) | 淡水硅藻培育方法 | |
| CN103734067A (zh) | 一种用于特种养殖的废热海水回用自动配水养殖系统及配水方法 | |
| CN1961660A (zh) | 浮式生物养殖池 | |
| CN103098729A (zh) | 一种控制中华绒螯蟹大规格雌蟹抱卵量的方法 | |
| CN103172180B (zh) | 一种活沙制备方法 | |
| KR101797356B1 (ko) | 알지네이트 필름과 광섬유를 포함하는 미세조류 배양 시스템 및 이의 제조 방법 | |
| CN101278657A (zh) | 一种海参养殖方法 | |
| CN101445995B (zh) | 深水网箱网袋用高性能六角形网目乙纶经编网制造方法 | |
| CN105018330A (zh) | 一种多层半干贴壁培养装置及培养方法 | |
| CN103112942A (zh) | 一种活沙制备装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |