德黑蘭大學(xué)開(kāi)發(fā)新型節(jié)能混凝土，助力3D打印房屋可持續(xù)發(fā)展

2022年8月5日，南極熊獲悉，德黑蘭大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種，可以通過(guò)3D打印的方式將房屋打印出來(lái)，其產(chǎn)生的二氧化碳排放量比目前的建筑少400倍。

在模擬3D打印房屋的過(guò)程中，研究小組發(fā)現(xiàn)，使用活性氧化鎂與保溫材料和相變材料（PCM）混合，既降低了能源使用量，也降低了環(huán)境影響。工程師們說(shuō)，如果在更大范圍內(nèi)部署，這種材料可以助力3D打印成為解決住房短缺和氣候變化問(wèn)題的更有吸引力的工具。

△該團(tuán)隊(duì)的DesignBuilder3D打印房屋模型。圖片來(lái)自德黑蘭大學(xué)。

凈化建筑業(yè)

根據(jù)歐盟委員會(huì)的研究，傳統(tǒng)建筑占?xì)W盟產(chǎn)生的所有二氧化碳排放量的36%。當(dāng)然，由于人口的增加，經(jīng)濟(jì)適用房的建設(shè)是必要的，但以更可持續(xù)的方式建設(shè)這些住房正迅速成為研究的熱門話題。這些研究往往圍繞著減少建筑物的冷卻和加熱負(fù)荷。

這些舉措被認(rèn)為是改善房屋建造可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵，因?yàn)樗梢詭椭档团c房屋建造和供暖相關(guān)的燃料需求。以前的研究發(fā)現(xiàn)，改善此類建筑熱性能的一種方法是用PCM進(jìn)行3D打印，它能夠在特定范圍內(nèi)吸收熱量并管理內(nèi)部溫度。

然而，德黑蘭團(tuán)隊(duì)表示，這些PCMs已經(jīng)證明了 "增強(qiáng)熱容量 "的能力，但其機(jī)械性能會(huì)下降，阻礙了其最終應(yīng)用的潛力。工程師們還聲稱，水泥基復(fù)合地質(zhì)聚合物類的建筑材料在環(huán)保方面的應(yīng)用效果參差不齊，有些材料的二氧化碳排放量仍然很高。

△一臺(tái)正在運(yùn)行的混凝土3D打印機(jī)。照片來(lái)自漢密爾頓實(shí)驗(yàn)室。

更具可持續(xù)性的3D打印水泥

為了確定3D打印房屋的最佳水泥配方，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了通過(guò)氧化鎂（RMC）和硫鋁酸鈣（CSA）水泥建造模擬建筑的性能。通過(guò)DesignBuilder軟件進(jìn)行測(cè)試，兩者都證明能夠快速凝固，并顯示出較高的初始強(qiáng)度水平，但RMC的抗壓強(qiáng)度較高，為60MPa。

在分析這個(gè)虛擬兩層建筑的可持續(xù)性時(shí)，研究人員選擇對(duì)其進(jìn)行全面的生命周期評(píng)估（LCA），從運(yùn)輸?shù)讲牧虾碗娏κ褂?。結(jié)果，LCA的結(jié)果顯示，他們的水泥配方的生態(tài)影響低于傳統(tǒng)的波特蘭水泥，CSA的能源消耗高于RMC。

為了能夠更有效地管理材料的內(nèi)部溫度，工程師們后來(lái)在混合物中加入了氯化鈣。添加該化合物使混合物能夠被3D打印成混凝土，當(dāng)它們達(dá)到熔點(diǎn)或冰點(diǎn)時(shí)能夠吸收和釋放熱量。在模擬中用泡沫補(bǔ)充RMC也增強(qiáng)了這種效果，優(yōu)化了建筑的絕緣性。

最終，鎂的存在被發(fā)現(xiàn)增加了房屋墻壁的致癌毒性，但帶有保溫層的3D打印RMC對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響最小。因此，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，3D打印可以極大地幫助減少未來(lái)建筑的能源消耗，即使他們的RMC材料耗水仍然相當(dāng)大，并存在需要解決的毒性問(wèn)題。

△研究人員的LCA結(jié)果。圖片來(lái)自德黑蘭大學(xué)。

增材制造在建造“自行降溫”建筑中的潛力

近年來(lái)，大量的研究被傾注在優(yōu)化混凝土3D打印建筑的熱效率上，特別是在建筑材料領(lǐng)域。例如，德克薩斯A&M大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出3D打印相變材料，可用于建造能夠被動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度的房屋。

在過(guò)去，Microlight3D也得到了歐盟的支持，開(kāi)發(fā)了用于創(chuàng)建 "自行降溫"建筑的混凝土。作為未來(lái)和新興技術(shù)（FET）計(jì)劃的一部分，該公司與五所歐洲大學(xué)合作，旨在設(shè)計(jì)一種微結(jié)構(gòu)材料，以對(duì)抗城市熱島現(xiàn)象。

在其他地方，斯威本科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法，使房屋建筑更加生態(tài)友好。通過(guò)開(kāi)發(fā)一種由建筑垃圾制成的3D打印材料，工程師們希望減少增材制造建筑的二氧化碳排放和該技術(shù)對(duì)自然資源的依賴。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見(jiàn)他們的論文，題為 "3D打印建筑的熱性能和生命周期評(píng)估調(diào)查/Investigation of thermal performance and life-cycle assessment of a3D printed building"，該論文由Mahdi Ebrahimi、Mohammad Mohseni Alireza Aslani和Rahim Zahedi共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778822005126