德黑蘭大學(xué)開發(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)的研究人員開發(fā)了一種,，可以通過3D打印的方式將房屋打印出來,，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，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題的更有吸引力的工具,。

△該團隊的DesignBuilder3D打印房屋模型。圖片來自德黑蘭大學(xué),。

凈化建筑業(yè)

根據(jù)歐盟委員會的研究,，傳統(tǒng)建筑占歐盟產(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，因為它可以幫助降低與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,，德黑蘭團隊表示，這些PCMs已經(jīng)證明了 "增強熱容量 "的能力,，但其機械性能會下降,，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,。

△一臺正在運行的混凝土3D打印機,。照片來自漢密爾頓實驗室,。

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，研究團隊調(diào)查了通過氧化鎂（RMC）和硫鋁酸鈣（CSA）水泥建造模擬建筑的性能,。通過DesignBuilder軟件進行測試,，兩者都證明能夠快速凝固，并顯示出較高的初始強度水平,，但RMC的抗壓強度較高,，為60MPa。

在分析這個虛擬兩層建筑的可持續(xù)性時,，研究人員選擇對其進行全面的生命周期評估（LCA）,，從運輸?shù)讲牧虾碗娏κ褂谩＝Y(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)它們達到熔點或冰點時能夠吸收和釋放熱量,。在模擬中用泡沫補充RMC也增強了這種效果，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對生態(tài)環(huán)境的影響最小,。因此,，該團隊得出結(jié)論，3D打印可以極大地幫助減少未來建筑的能源消耗,，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題。

△研究人員的LCA結(jié)果,。圖片來自德黑蘭大學(xué),。

增材制造在建造“自行降溫”建筑中的潛力

近年來，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)開發(fā)出3D打印相變材料,，可用于建造能夠被動調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度的房屋,。

在過去，Microlight3D也得到了歐盟的支持,，開發(fā)了用于創(chuàng)建 "自行降溫"建筑的混凝土,。作為未來和新興技術(shù)（FET）計劃的一部分,，該公司與五所歐洲大學(xué)合作，旨在設(shè)計一種微結(jié)構(gòu)材料,，以對抗城市熱島現(xiàn)象,。

在其他地方，斯威本科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)的一個團隊采取了不同的方法,，使房屋建筑更加生態(tài)友好,。通過開發(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)對自然資源的依賴,。

研究人員的發(fā)現(xiàn)詳見他們的論文,，題為 "3D打印建筑的熱性能和生命周期評估調(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