Методическая статья

Производство и анализ биоцементного кирпича Sporosarcina pasteurii с использованием изготовленных на заказ 3D-печатных форм для испытаний на неограниченное сжатие

DOI:

10.3791/68065

⸱

7 марта 2025 г.

 ,  ,  ,  , 
1Biology Department, United States Air Force Academy, 2United States Air Force Academy Life Sciences Research Center

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sporosarcina pasteurii – уреолитическая бактерия, расщепляющая мочевину на карбонат и аммоний. Карбонат соединяется с кальцием с образованием карбоната кальция, создавая кристаллическую решетку, которая связывает окружающие частицы вместе для производства биоцемента. Это удобный протокол использования напечатанных на 3D-принтере пресс-форм для создания биоцементных кирпичей, пригодных для испытаний на сжатие.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Цемент является ключевым строительным материалом, используемым во многих конструкциях по всему миру, от фундаментов домов до исторических памятников и дорог. Это критически важный и обильный материал во всем мире. Тем не менее, традиционное производство цемента является основным источником антропогенногоCO2 в атмосфере, что приводит к выбросам парниковых газов и изменению климата. Микробно-индуцированное осаждение кальцита (MICP) — это биологический процесс, при котором Sporosarcina pasteurii или другие бактерии производят цементный материал, который так же прочен, как и традиционный цемент, но биоцемент является углеродно-нейтральным. Этот метод производства биоцемента является перспективной технологией и в настоящее время активно исследуется многими компаниями, странами и исследовательскими группами. В представленном здесь протоколе используются специально разработанные, многоразовые, напечатанные на 3D-принтере формы для проточной обработки почвы или песка методом MICP, в результате чего изготавливаются цилиндрические кирпичи, которые соответствуют стандартным спецификациям для испытаний на сжатие без ограничений. Отдельные, отдельно стоящие формы с резервуаром обеспечивают удобное параллельное тестирование нескольких переменных и реплик. В этом протоколе описывается реакция S. pasteurii MICP, а также создание, сборка и использование напечатанных на 3D-принтере форм для производства биоцементных цилиндрических кирпичей.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Бетон является основным строительным материалом для строительных проектов по всему миру 1,2. Одно исследование показало, что цемент является вторым по потреблению материалом в мире, уступая только воде3. Ежегодно производится почти 4,5 млрд тонн цемента4,5. Традиционное производство, переработка и применение цемента приводит к почти 8% глобальных выбросовCO2 в год6. В связи с высоким спросом и в то же время разрушительным воздействием традиционного производства....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Подробная информация об используемых реагентах, оборудовании и программном обеспечении приведена в Таблице материалов.

1. Приготовление растворов и сред

  1. Brain-Heart Infusion (BHI) - среда мочевины (1 л)
    1. Взвесьте 37 г порошка BHI с помощью весов и добавьте в колбу или стакан объемом 1 л.
    2. Взвесьте 20 г мочевины с помощью весов и добавьте в ту же 1 л колбу или стакан, содержащий порошок BHI.
      ВНИМАНИЕ: Не автоклавируйте и не добавляйте отбеливатель в материалы, содержащие мочевину. Мочевина распадается на аммиак, который может быть вреден в в....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Конструкцию напечатанной на 3D-принтере формы можно увидеть на рисунках 1 и 2. Положительные результаты следует рассматривать как кирпич, который сохраняет свою форму при извлечении из формы и после 3 недель сушки выглядит как прочная конструкция, с которой можно легко обращаться с минимальными потерями материала от прикосновения. Если кирпич не прочный и есть крошение или значительные потери материала от прикосновения или движения, возможно, была допущена ошибк.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Критические шаги
В этом протоколе биоцементации используется S. pasteurii MICP для производства биоцементированных цилиндрических кирпичей, которые подходят для испытаний на сжатие без ограничений. Одним из наиболее важных факторов при испытании на неограниченное сжатие является форма и структура образца. Убедитесь, что верхняя и нижняя части цилиндрического изделия плоские, а высота кирпича максимально близка к 3 дюймам; Лучше немного превысить отметку в 3 д.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Данная рукопись была одобрена для публичного распространения. Номер PA: USAFA-DF-2024-777. Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат авторам и не обязательно отражают официальную позицию или политику правительства США, Министерства обороны или Министерства военно-воздушных сил.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот материал основан на исследованиях, спонсируемых Академией ВВС США и Исследовательской лабораторией ВВС США под номером FA7000-24-2-0005 (MG). Правительство США имеет право воспроизводить и распространять репринты в государственных целях, невзирая на какие-либо отметки об авторских правах.

....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-принтерStratasysObjet 30 V3Objet30 Pro V3.0 Настольный 3D-принтер
Материал 3D-принтераStratasysOBJ-04066Rigur RGD450 Материал модели
3D-принтера МатериалStratasysOBJ-04020Sup 705 Материал поддержки
Хлорид аммонияFisher ScientificA661-500Любой другой хлорид аммония должен подойти, производитель не имеет значения
Мозговой инфузионный бульонMillipore53286Любой другой инфузионный бульон для мозгового сердца должен работать, производитель не должен иметь значения
Дигидрат хлорида кальцияVWR BDH9224Любой другой дигидрат хлорида кальция должен подойти, производитель не должен иметь значения
Coarse SandWard' s470016-902Специальная песчано-гравийная смесь и напряженная глина
Настольная гидроабразивная установкаStratasysOBJ-01400Система гидроабразивной резки для постобработки 3D-отпечатков
Эпоксидныйклей Gorilla 4200102GORILLA Эпоксидный клей: эпоксидная смола, 0,8 жидких унции, шприц, прозрачный, густой жидкий
мелкий песокSandtastikPLA25  Играть Песок в сверкающем белом
материале прокладкиMcMaster-Carr8525T65Этилен-пропилен-диеновый мономер (EPDM) толщиной 1/16 дюйма
GrabCADStratasysПрограммное обеспечение для 3D-принтераGrabCAD
МагнитыK& J MagneticsD64-N52Неодимовый магнит Марка N52
SolidWorks 2021Dassault Systè mesSolidWorks 2021программное обеспечение САПР
Sporosarcina pasteuriiШтамм: ATCC 11859 / DSM 33
Вакуумная фильтрационная чашка 0,45&микро; mVWR10040-450
Сетка проволочная 1,5" Диаметр дисковMcMaster-Carr2812T43Материал стальной проволочной сетки

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Xiao, Y., He, X., Zaman, M., Ma, G., Zhao, C. Review of strength improvements of biocemented soils. Int J Geomech. 22 (11), 03122001(2022).
  2. Hottle, T., et al. Environmental life-cycle assessment of concrete produced in the United States. J Clean Prod. 363

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

3DMICPBHI

Похожие статьи