混凝土在建筑3D打印中的使用持續(xù)增長(cháng)。這種復(fù)合材料由骨料（如礫石、沙子或碎石）和水泥制成，因其耐用性和強度特性而被廣泛使用。但其生產(chǎn)(chǎn)的環(huán)(huán)境成本較高。據(jù)Statista稱(chēng)，僅2022年，全球水泥（混凝土的重要組成部分）的生產(chǎn)(chǎn)就產(chǎn)(chǎn)生了16億噸二氧化碳。因此，專(zhuān)為3D打印而設(shè)計并減少碳足跡的混凝土的制造代表著(zhù)向前邁出的重要一步。

這正是弗吉尼亞大學(xué)(xué)(UVA)的研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)(fā)一種新型混凝土所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，該混凝土在與前身產(chǎn)(chǎn)品一樣堅固耐用的同時(shí)，還能將二氧化碳排放量減少約31%。這種創(chuàng )(chuàng)新混凝土由石墨烯、石灰石和煅燒粘土水泥(LC2)的獨特混合物制成。

Osman Ozbulut，土木與環(huán)(huán)境工程系正教授（圖片來(lái)源：Tom Daly來(lái)自弗吉尼亞大學(xué)(xué)）

石墨烯帶來(lái)的創(chuàng )(chuàng)新材料

石墨烯是一種非常輕且堅固的碳基材料，在這種新配方中發(fā)(fā)揮著(zhù)關(guān)(guān)鍵作用。UVA土木與環(huán)(huán)境工程系教授Osman Ozbulut解釋道：“將石墨烯融入LC2水泥中可以讓我們減少碳排放，同時(shí)又不會(huì )影響建筑中3D打印所必需的強度和靈活性。?

這項研究題為“可打印石墨烯增強石灰石和煅燒粘土復(fù)合材料的流變學(xué)(xué)、機械和環(huán)(huán)境性能”，探討了這種新一代混凝土的流變（與流動(dòng)相關(guān)(guān)）、機械和環(huán)(huán)境性能。該研究小組由客座研究員Tu?ba Baytak和UVA博士生Tawfeeq Gdeh領(lǐng)(lǐng)導(dǎo)，著(zhù)手評估該材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性能及其生態(tài)(tài)影響。

通過(guò)生命周期分析減少環(huán)(huán)境足跡

為了精確測量這種混凝土對環(huán)(huán)境的影響，研究人員進(jìn)行了生命周期分析（LCA），這種方法可以評估混凝土產(chǎn)(chǎn)品整個(gè)生命周期的能源消耗和相關(guān)(guān)排放。博士后研究員姜章帆與UVA環(huán)(huán)境工程教授Lisa Colosi Peterson合作發(fā)(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的可打印混凝土相比，這種新型可打印混凝土可以減少31%的溫室氣體排放。

“了解這種材料的完整環(huán)(huán)境足跡至關(guān)(guān)重要，”Jiang說(shuō)?！斑@種混凝土不僅可以提高機械性能，而且還有助于實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的3D建筑，與傳統(tǒng)的3D打印方法相比，可以減少對生態(tài)(tài)的影響。?

弗吉尼亞大學(xué)(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)(xué)學(xué)(xué)院

在交通運輸領(lǐng)(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊

該項目還受益于弗吉尼亞州交通研究委員會(huì )(VTRC)的專(zhuān)業(yè)(yè)知識，該合作伙伴關(guān)(guān)系使UVA團隊能夠確定混凝土在交通領(lǐng)(lǐng)域的潛在應(yīng)用?！芭cVTRC的合作對于加深我們對這種創(chuàng )(chuàng)新材料特性的理解至關(guān)(guān)重要，”O(jiān)zbulut強調(diào)。

最后需要指出的是，這項研究還得益于伊斯坦布爾技術(shù)(shù)大學(xué)(xué)博士生Tugba Baytak的貢獻，并得到了土耳其科學(xué)(xué)技術(shù)(shù)研究委員會(huì )（TUBITAK）和UVA Cavaliers 3計劃的資助。這項研究的結(jié)果發(fā)(fā)表在2024年的《建筑工程雜志》上。

綠色建筑的未來(lái)材料

這種用于3D打印的新型混凝土標(biāo)志著(zhù)邁向更加生態(tài)(tài)和可持續(xù)的建筑方法的重要一步。研究人員正在利用石墨烯和LC2水泥等材料，為可能改變建筑行業(yè)(yè)的創(chuàng )(chuàng)新鋪平道路。

編譯整理：3dnatives