2024年10月，南极熊获悉，弗吉尼亚大学（UVA）的研究人员开发出了一种新型3D打印水泥复合材料，将石墨烯与石灰石煅烧粘土（LC2）结合，显著提升了材料的强度和环保性能。这项研究发表在Journal of Building Engineering期刊上，题目为Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay，展示了这种新材料在解决现代建筑挑战方面的巨大潜力。
△石墨烯层
项目由弗吉尼亚大学土木与环境工程系的Osman Ozbulut教授领导，研究团队发现，即使只添加少量的石墨烯纳米片（GNP），也能显著改善3D打印层的结构完整性，同时减少对环境的影响。
增强强度和可持续性
研究团队由弗吉尼亚大学弹性和先进基础设施实验室的博士研究员Tuğba Baytak和Tawfeeq Gdeh与弗吉尼亚交通研究委员会（VTRC）合作进行。他们使用表面活性剂辅助超声处理法将GNPs分散在LC2中，确保石墨烯在混合物中均匀分布。
通过紫外可见光谱和动态光散射等测试方法，研究团队评估了分散质量，以及抗压强度和抗弯强度。结果显示，仅添加0.05%重量的GNP即可将抗压强度提高23%，并且显著提高了材料的可打印性，这对于3D打印应用非常重要。
△石墨烯增强型 LC2 复合材料的三维打印性能评估
环境影响评估
为了评估这种新材料对环境的影响，研究团队进行了生命周期评估（LCA）。评估由博士后研究员 Zhangfan Jiang和Lisa Colosi Peterson教授共同进行。结果显示，与传统3D打印水泥基混合物相比，添加GNP可减少近31%的温室气体排放。
Zhangfan Jiang表示：“能够全面了解这种新混凝土的环境足迹非常重要。”他强调了石墨烯增强LC2混凝土在促进更可持续建筑实践方面的巨大潜力。Ozbulut教授指出，与VTRC的合作对于揭示新混凝土的基本特性至关重要。他认为，这种石墨烯增强材料在交通基础设施领域尤其有前景，可以将技术性能与环境目标完美结合。
行业合作与应用
先进工程材料集团Versarien与建筑公司Balfour Beatty合作，开发了一种低碳、3D打印砂浆，旨在提高土木工程的可持续性和效率。这个为期12个月的项目将专注于制造石墨烯注入砂浆，以减少碳排放，同时满足建筑需求。Balfour Beatty的公路部门将测试该材料与传统材料的耐用性和成本效益，Versarien的Cementene外加剂可减少水泥用量。此外，该合作伙伴关系将建立一条英国供应链，吸引当地供应商并与外部合作伙伴合作，以确保符合法规并获得未来市场应用的认证。
△3D 打印的 Versarien 月球舱
近年来，可持续性一直是建筑业的重要议题，催生了许多环保方法。2024年9月，Mighty Buildings与霍尼韦尔合作，通过使用霍尼韦尔的Solstice液体发泡剂（LBA）进行隔热，提高3D打印房屋的可持续性。这种发泡剂的全球变暖潜能值（GWP）仅为1，远低于传统隔热材料。通过使用Solstice LBA，Mighty Buildings旨在减少碳排放、提高能源效率并改善家庭温度控制。这些房屋在Mighty Buildings的蒙特雷工厂生产，可在一周内建成。霍尼韦尔经EPA认证的Solstice技术支持全行业的碳减排，还用于制冷、气雾剂和医用吸入器。
加泰罗尼亚高级建筑学院（IAAC）的研究人员使用Crane WASP 3D打印机创建了一座100平方米的原型低碳建筑，这是巴塞罗那3D打印地球森林校园TOVA项目的一部分。此建筑采用当地土壤和天然材料建造，展示了可持续3D打印如何通过提供环保、适应性强的房屋来解决住房短缺问题。每面3D打印墙都包含通风腔，充当热量和湿度调节器。据该团队介绍，Crane WASP系统可以高效地建造稳定、轻质的墙壁，支撑木屋顶，并提供自然隔热和采光。
上述创新举措不仅推动了3D打印技术在建筑行业的应用，也为实现更可持续的建筑实践提供了新的方向。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110673
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