3D混凝土打印是否能夠應(yīng)用在商業(yè)建筑中？

導(dǎo)讀：混凝土3D打印已在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛測試和應(yīng)用，包括荷蘭埃因霍溫的商業(yè)住宅項(xiàng)目、阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜的第一座官方商業(yè)建筑等�；炷�土的可塑性和堅(jiān)硬特性與3D打印機(jī)的機(jī)械臂結(jié)合，可以承受極端氣候和并應(yīng)用于極其復(fù)雜的地形中，3DCP在商業(yè)建筑行業(yè)中有許多優(yōu)勢。


△使用 GE 的 BOD 2 3D 打印機(jī)制作的 3D 打印混凝土風(fēng)力渦輪機(jī)底座。

世界上超過70%的人口居住在混凝土建筑中，人們對混凝土的需求預(yù)計(jì)只會(huì)增加，即使是利用可再生能源的風(fēng)力渦輪機(jī)也需要混凝土和鋼材才能經(jīng)久耐用。然而，水泥行業(yè)占全球二氧化碳排放量的8% 。今天的科學(xué)家們一致認(rèn)為，必須采取嚴(yán)厲的行動(dòng)來防止地球變暖超過1.5 度，如果超過這個(gè)閾值，將帶來災(zāi)難性的后果。那么，在這樣一個(gè)嚴(yán)重依賴混凝土的世界里，工程師如何才能減少排放并使混凝土更環(huán)保？下面南極熊將介紹3D混凝土打印的優(yōu)勢，以及它的增材制造方法和應(yīng)用。

3D 混凝土打印在商業(yè)建筑中的優(yōu)勢
耐久性和安全性在任建筑項(xiàng)目中十分關(guān)鍵，尤其是商業(yè)建筑中。以橋梁為例，2018 年，熱那亞的莫蘭迪橋在一場暴雨中倒塌，數(shù)十輛汽車墜入深淵。這座橋位于高速公路上，將其連接到法國，這引起了國際社會(huì)對意大利基礎(chǔ)設(shè)施狀況的關(guān)注。

3DP橋梁的概念于2016年形成，但近兩年人們才把它應(yīng)用到實(shí)際工程實(shí)踐中，中國和荷蘭是該領(lǐng)域的先驅(qū)。中國最大規(guī)模3D打印混凝土步行橋在滬落成，此項(xiàng)目公使用了兩臺(tái)機(jī)器臂3D打印系統(tǒng)，耗時(shí)450小時(shí)打印完成全部混凝土構(gòu)件，與同等規(guī)模的橋梁相比，它的造價(jià)只有普通橋梁造價(jià)的三分之二，該橋梁主體的打印及施工未用模板及鋼筋，大大節(jié)省了工程花費(fèi)。上海3D打印步行橋的建成，標(biāo)志著該技術(shù)從研發(fā)到實(shí)際工程應(yīng)用邁出了可喜的一步，也標(biāo)志著中國3D混凝土打印建造技術(shù)已跨入世界先進(jìn)水平。
使用 3D 打印機(jī)，工程師只需要或“添加”制造結(jié)構(gòu)所需的精確材料量，從而最大限度地利用資源并最大限度地減少浪費(fèi)。根特大學(xué)對增材制造的人行道進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn) 3DP 結(jié)構(gòu)需要的材料更少，對環(huán)境的影響也更小。3D 打印機(jī)不僅可以更快地進(jìn)行建筑制造，還可以最大程度地減少工人的壓力并減少材料浪費(fèi)，同時(shí)最大限度地提高精度。美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)正在使用 3D 混凝土打印來創(chuàng)建用于跨越任何空隙的定制橋梁，


△在加利福尼亞州彭德爾頓營地的一次演習(xí)中，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)與第 1 海洋后勤大隊(duì)第 7 工兵支援營一起合作保護(hù)使用 3D 打印機(jī)創(chuàng)建的混凝土橋梁支撐柱。

可持續(xù)水泥可能嗎？

制造大量混凝土需要大量電力，水泥是混凝土的核心成分，而水泥制造過程會(huì)產(chǎn)生更多的二氧化碳排放。事實(shí)上，到 2050 年，能源轉(zhuǎn)型投資每年必須增加到4.4 萬億美元，并需要重新思考施工流程和使用更可持續(xù)的材料。

例如，加利福尼亞州承諾到 2035 年將每噸水泥的碳排放量減少 40%，科技巨頭微軟、谷歌和 Salesforce 等 50 家公司承諾開始購買低碳水泥。這一追求背后有一大批研究人員。

●劍橋大學(xué)的研究人員已經(jīng)宣稱發(fā)明了“世界上第一個(gè)零排放水泥”，劍橋電動(dòng)水泥。那么它是怎樣工作的？當(dāng)用過的水泥從再生混凝土中分離出來時(shí)，它最終會(huì)變成礦渣，通常被認(rèn)為是廢品。它富含氧化鈣，這是一種用于制造水泥的熟料中的一種關(guān)鍵成分，占水泥和混凝土行業(yè)總碳排放量的 90% 。劍橋團(tuán)隊(duì)將回收的爐渣研磨成粉末，發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上與作為新型硅酸鹽水泥基礎(chǔ)的熟料完全相同。

●其他加固混凝土和減少碳足跡的方法是在混合物中添加回收塑料。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過將塑料薄片粉碎成細(xì)粉，與水泥漿和粉煤灰混合，生產(chǎn)出比傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度高 15% 的混凝土。

●柏林技術(shù)大學(xué)和布魯內(nèi)爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過用回收玻璃、石灰石和塑料填料部分替代波特蘭水泥中的沙子，可以使混凝土更加堅(jiān)固和環(huán)保。該團(tuán)隊(duì)大幅提高了其強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，構(gòu)建了持久耐用的最終產(chǎn)品。

這些創(chuàng)新已經(jīng)被一些領(lǐng)先的建材公司所采用。2020 年，CEMEX 推出了名為 Vertua 的凈零二氧化碳混凝土版本。用 Vertua 水泥代替 100 袋傳統(tǒng)水泥相當(dāng)于讓 105 輛汽車離開道路一天，相當(dāng)于減少了1.3 噸的二氧化碳排放量。

3D打印可持續(xù)混凝土的機(jī)遇
回顧 2015 年，材料科學(xué)工程師兼酒店老板 Lewis Yakich在劉易斯大酒店使用3D打印技術(shù)。Yakich 與 3D 打印專家 Anthony Rudenko 合作，在短短 100 小時(shí)內(nèi)創(chuàng)建了第一個(gè) 3D 打印酒店套房。這個(gè)例子完美地說明了與傳統(tǒng)構(gòu)造方法相比，3D 打印提供的顯著時(shí)間效率和成本節(jié)�。ㄔ诒纠�中高達(dá) 60%）�，F(xiàn)在想象一下，用可持續(xù)的替代品替換這些項(xiàng)目中的混凝土，優(yōu)勢會(huì)成倍增加！

2019 年，工程師在莫桑比克建造了世界上第一家用沙子和海水砂漿建造的豪華3D打印沙子酒店。使用當(dāng)?shù)乜捎玫牟牧弦馕吨�設(shè)計(jì)師和工程師還可以在此過程中節(jié)省運(yùn)輸成本和排放。

在我們?yōu)槲磥斫ㄔO(shè)的過程中，可以期待看到更多的工程師繼續(xù)在商業(yè)項(xiàng)目中試驗(yàn)3D混凝土打印和可持續(xù)原材料，用時(shí)間證明它們的耐久性，以確保公共安全并減少碳足跡。