Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

In de wereld van de bouw zijn de materialen die we gebruiken om onze huizen en steden te bouwen vaak zwaar, permanent en moeilijk te veranderen. Decennialang was beton, een mengsel van cement, zand en water dat uithardt tot een solide, rotsachtige staat, de standaard geweest. Hoewel het ongelooflijk sterk is, zorgt het maken van het cement dat dit mengsel bindt voor een aanzienlijke hoeveelheid kooldioxide, wat bijdraagt aan klimaatverandering. Tegelijkertijd produceert de mijnbouw enorme hoeveelheden overgebleven gesteente en slib dat vaak in grote opslaggebieden wordt opgestapeld, wat ruimte inneemt en milieurisico's met zich meebrengt. Een groeiend wetenschappelijk veld probeert beide problemen tegelijkertijd op te lossen door manieren te vinden om deze industriële restproducten om te zetten in nuttige bouwstenen. Deze benadering, vaak een circulaire economie genoemd, heeft als doel om te voorkomen dat afval verspild wordt en om de behoefte aan nieuwe, energie-intensieve grondstoffen te verminderen. Een andere moderne innovatie in dit veld is 3D-betonprinten, een technologie waarbij grote robotarmen lagen nat beton uitpersen en zo structuren laag voor laag opbouwen zonder de noodzaak van traditionele houten mallen. Voor deze technologie moet het beton vloeibaar genoeg zijn om door een machine te stromen, maar stijf genoeg om zijn vorm te behouden op het moment dat het wordt neergelegd.

Onderzoekers in Marokko hebben onlangs onderzocht of de enorme hoeveelheden afval die vrijkomen bij de Marokkaanse fosfaatmijnbouwindustrie gebruikt kunnen worden in deze nieuwe soorten bouwmengsels. Marokko is een wereldleider in de productie van fosfaat, een mineraal dat essentieel is voor meststoffen, maar het proces van het winnen en reinigen van dit gesteente genereert enorme hoeveelheden bijproducten, waaronder afvalgesteente, een materiaal genaamd fosfogips en nat slib. In plaats van deze materialen in hopen te laten liggen, besloot een team wetenschappers van de Mohammed VI Polytechnic University te testen of ze vermalen en gemengd konden worden met cement om een materiaal te creëren dat geschikt is voor 3D-printen. Ze verzamelden monsters van deze drie soorten afval van een verwerkingsinstallatie en onderwierpen deze aan een reeks zorgvuldige tests om hun chemische samenstelling, hun veiligheid en hoe ze zich gedroegen wanneer ze met water en zand werden gemengd.

De eerste stap was om ervoor te zorgen dat de materialen veilig waren om te hanteren en te gebruiken. De onderzoekers maten het vochtgehalte en de zuurgraad van het afval en vonden dat de materialen over het algemeen neutraal waren en geen gevaarlijke concentraties zware metalen bevatten. Ze controleerden ook op radioactiviteit, een punt van zorg omdat fosfaaterts soms sporen van natuurlijk voorkomende radioactieve elementen kan bevatten. De tests toonden aan dat de radioactiviteitsniveaus zeer laag waren en ruim binnen de veilige grenzen voor de bouw vielen. Het team onderzocht vervolgens de chemische samenstelling van het afval met behulp van geavanceerde apparatuur die de aanwezige elementen in een monster identificeert. Ze ontdekten dat het afval rijk was aan calcium en zwavel, met kleinere hoeveelheden van andere mineralen, wat bevestigde dat het de juiste ingrediënten had om potentieel te reageren met cement en een sterke binding te vormen.

Nadat de veiligheid en samenstelling waren bevestigd, gingen de onderzoekers over tot het maken van werkelijke bouwmengsels. Ze bereidden tientallen verschillende recepten voor, waarbij ze het gemalen fosfaatafval mengden met rode klei, verbrijzeld zand en drie verschillende soorten cement. Ze varieerden de hoeveelheid water en de verhouding van het afval in elk mengsel om te zien welke combinatie de beste resultaten opleverde. Het doel was om een balans te vinden waarbij het mengsel sterk genoeg was om gewicht te dragen, maar vloeibaar genoeg om door een printer gepompt te worden. Na het mengen goten ze het natte materiaal in kleine mallen en lieten ze het enkele weken uitharden, waarbij ze testten hoe sterk het werd na verloop van tijd.

De resultaten toonden aan dat de afvalmaterialen inderdaad succesvol geïntegreerd konden worden in het beton. De mengsels hardden uit tot solide blokken die aanzienlijke druk konden weerstaan. Het sterkste mengsel, gemaakt met de hoogste graad cement en een specifieke hoeveelheid fosfaatafval, bereikte een druksterkte van bijna 47 megapascal, een maatstaf voor hoeveel kracht het materiaal kan verdragen voordat het breekt. Andere mengsels met verschillende soorten cement presteerden ook goed, met sterktes variërend van ongeveer 22 tot 32 megapascal. Deze cijfers suggereren dat het materiaal sterk genoeg is voor veel constructiedoeleinden. De onderzoekers testten ook hoe het natte mengsel stroomde, waarbij ze de viscositeit en de vormverandering onder spanning maten. Ze vonden dat de mengsels mechanische en rheologische eigenschappen vertoonden die wijzen op potentieel voor verdere ontwikkeling; het artikel merkt echter expliciet op dat de geschiktheid van deze formuleringen voor extrusiegebaseerd 3D-betonprinten nog experimenteel gevalideerd moet worden.

Ondanks deze bemoedigende resultaten waren de onderzoekers voorzichtig om het probleem niet volledig als opgelost te verklaren. Hoewel de mengsels in het laboratorium een groot potentieel toonden, waren ze nog niet getest in een echte 3D-printer. De studie bevestigde dat de materialen veilig, sterk zijn en de juiste fysieke eigenschappen hebben op papier, maar het definitieve bewijs zal komen van het zien of ze succesvol in complexe vormen geprint kunnen worden die in de loop van de tijd standhouden. Het team merkte op dat toekomstig werk zich moet richten op directe printproeven om te zien hoe goed de lagen aan elkaar hechten, hoe het materiaal zich gedraagt wanneer het in een echt bouwwerk wordt opgebouwd, en om de hechting tussen de lagen en de bouwbaarheid te beoordelen. Ze benadrukten ook de noodzaak van meer langetermijnstudies om te garanderen dat de materialen veilig en stabiel blijven in de omgeving.

Dit werk vormt een belangrijke stap naar het transformeren van een groot industrieel afvalproduct in een waardevolle grondstof. Door aan te tonen dat Marokkaans fosfaatafval kan worden omgezet in een sterk, veilig en potentieel printbaar bouwmateriaal, opent de studie een nieuwe deur voor duurzame constructie. Het suggereert dat de hopen afvalgesteente en slib die al lang een milieuprobleem vormen, op een dag de bakstenen en balken van toekomstige gebouwen zouden kunnen worden, waardoor de behoefte aan nieuwe grondstoffen wordt verminderd en helpt bij het bouwen van een schonere, efficiëntere bouwsector. Het pad van een afvalberg naar een 3D-geprint huis wordt nog in kaart gebracht, maar dit onderzoek biedt een duidelijk en veelbelovend startpunt.