混凝土在建筑3D打印中的使用持續(xù)增長。這種復合材料由骨料（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。但其生產的環(huán)境成本較高。據(jù)Statista稱，僅2022年，全球水泥（混凝土的重要組成部分）的生產就產生了16億噸二氧化碳。因此，專為3D打印而設計并減少碳足跡的混凝土的制造代表著向前邁出的重要一步。

這正是弗吉尼亞大學(UVA)的研究人員通過開發(fā)一種新型混凝土所實現(xiàn)的目標，該混凝土在與前身產品一樣堅固耐用的同時，還能將二氧化碳排放量減少約31%。這種創(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)境工程系正教授（圖片來源：Tom Daly來自弗吉尼亞大學）

石墨烯帶來的創(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)揮著關鍵作用。UVA土木與環(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，同時又不會影響建筑中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合材料的流變學、機械和環(huán)境性能”，探討了這種新一代混凝土的流變（與流動相關）、機械和環(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領導，著手評估該材料的可加工性、結構性能及其生態(tài)影響。

通過生命周期分析減少環(huán)境足跡

為了精確測量這種混凝土對環(huán)境的影響，研究人員進行了生命周期分析（LCA），這種方法可以評估混凝土產品整個生命周期的能源消耗和相關排放。博士后研究員姜章帆與UVA環(huán)境工程教授Lisa Colosi Peterson合作發(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)境足跡至關重要，”Jiang說?！斑@種混凝土不僅可以提高機械性能，而且還有助于實現(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)的影響。?

弗吉尼亞大學工程與應用科學學院

在交通運輸領域的應用前景廣闊

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

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

綠色建筑的未來材料

這種用于3D打印的新型混凝土標志著邁向更加生態(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)的創(chuàng)新鋪平道路。

編譯整理：3dnatives