德黑兰大学开发新型节能混凝土，助力3D打印房屋可持续发展

2022年8月5日，南极熊获悉，德黑兰大学的研究人员开发了一种，可以通过3D打印的方式将房屋打印出来，其产生的二氧化碳排放量比目前的建筑少400倍。

在模拟3D打印房屋的过程中，研究小组发现，使用活性氧化镁与保温材料和相变材料（PCM）混合，既降低了能源使用量，也降低了环境影响。工程师们说，如果在更大范围内部署，这种材料可以助力3D打印成为解决住房短缺和气候变化问题的更有吸引力的工具。

△该团队的DesignBuilder3D打印房屋模型。图片来自德黑兰大学。

净化建筑业

根据欧盟委员会的研究，传统建筑占欧盟产生的所有二氧化碳排放量的36%。当然，由于人口的增加，经济适用房的建设是必要的，但以更可持续的方式建设这些住房正迅速成为研究的热门话题。这些研究往往围绕着减少建筑物的冷却和加热负荷。

这些举措被认为是改善房屋建造可持续性发展的关键，因为它可以帮助降低与房屋建造和供暖相关的燃料需求。以前的研究发现，改善此类建筑热性能的一种方法是用PCM进行3D打印，它能够在特定范围内吸收热量并管理内部温度。

然而，德黑兰团队表示，这些PCMs已经证明了 "增强热容量 "的能力，但其机械性能会下降，阻碍了其最终应用的潜力。工程师们还声称，水泥基复合地质聚合物类的建筑材料在环保方面的应用效果参差不齐，有些材料的二氧化碳排放量仍然很高。

△一台正在运行的混凝土3D打印机。照片来自汉密尔顿实验室。

更具可持续性的3D打印水泥

为了确定3D打印房屋的最佳水泥配方，研究团队调查了通过氧化镁（RMC）和硫铝酸钙（CSA）水泥建造模拟建筑的性能。通过DesignBuilder软件进行测试，两者都证明能够快速凝固，并显示出较高的初始强度水平，但RMC的抗压强度较高，为60MPa。

在分析这个虚拟两层建筑的可持续性时，研究人员选择对其进行全面的生命周期评估（LCA），从运输到材料和电力使用。结果，LCA的结果显示，他们的水泥配方的生态影响低于传统的波特兰水泥，CSA的能源消耗高于RMC。

为了能够更有效地管理材料的内部温度，工程师们后来在混合物中加入了氯化钙。添加该化合物使混合物能够被3D打印成混凝土，当它们达到熔点或冰点时能够吸收和释放热量。在模拟中用泡沫补充RMC也增强了这种效果，优化了建筑的绝缘性。

最终，镁的存在被发现增加了房屋墙壁的致癌毒性，但带有保温层的3D打印RMC对生态环境的影响最小。因此，该团队得出结论，3D打印可以极大地帮助减少未来建筑的能源消耗，即使他们的RMC材料耗水仍然相当大，并存在需要解决的毒性问题。

△研究人员的LCA结果。图片来自德黑兰大学。

增材制造在建造“自行降温”建筑中的潜力

近年来，大量的研究被倾注在优化混凝土3D打印建筑的热效率上，特别是在建筑材料领域。例如，德克萨斯A&M大学的研究人员已经开发出3D打印相变材料，可用于建造能够被动调节内部温度的房屋。

在过去，Microlight3D也得到了欧盟的支持，开发了用于创建 "自行降温"建筑的混凝土。作为未来和新兴技术（FET）计划的一部分，该公司与五所欧洲大学合作，旨在设计一种微结构材料，以对抗城市热岛现象。

在其他地方，斯威本科技大学和河北工业大学的一个团队采取了不同的方法，使房屋建筑更加生态友好。通过开发一种由建筑垃圾制成的3D打印材料，工程师们希望减少增材制造建筑的二氧化碳排放和该技术对自然资源的依赖。

研究人员的发现详见他们的论文，题为 "3D打印建筑的热性能和生命周期评估调查/Investigation of thermal performance and life-cycle assessment of a3D printed building"，该论文由Mahdi Ebrahimi、Mohammad Mohseni Alireza Aslani和Rahim Zahedi共同撰写。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778822005126