弗吉尼亞大學開發(fā)出新型3D打印水泥復合材料，顯著提高了材料的可打印性

2024年10月，南極熊獲悉，弗吉尼亞大學（UVA）的研究人員開發(fā)出了一種新型3D打印水泥復合材料，將石墨烯與石灰石煅燒粘土（LC2）結(jié)合，顯著提升了材料的強度和環(huán)保性能。這項研究發(fā)表在Journal of Building Engineering期刊上，題目為Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay，展示了這種新材料在解決現(xiàn)代建筑挑戰(zhàn)方面的巨大潛力。

△石墨烯層

項目由弗吉尼亞大學土木與環(huán)境工程系的Osman Ozbulut教授領(lǐng)導，研究團隊發(fā)現(xiàn)，即使只添加少量的石墨烯納米片（GNP），也能顯著改善3D打印層的結(jié)構(gòu)完整性，同時減少對環(huán)境的影響。


增強強度和可持續(xù)性
研究團隊由弗吉尼亞大學彈性和先進基礎(chǔ)設(shè)施實驗室的博士研究員Tuğba Baytak和Tawfeeq Gdeh與弗吉尼亞交通研究委員會（VTRC）合作進行。他們使用表面活性劑輔助超聲處理法將GNPs分散在LC2中，確保石墨烯在混合物中均勻分布。

通過紫外可見光譜和動態(tài)光散射等測試方法，研究團隊評估了分散質(zhì)量，以及抗壓強度和抗彎強度。結(jié)果顯示，僅添加0.05%重量的GNP即可將抗壓強度提高23%，并且顯著提高了材料的可打印性，這對于3D打印應用非常重要。



△石墨烯增強型 LC2 復合材料的三維打印性能評估

環(huán)境影響評估
為了評估這種新材料對環(huán)境的影響，研究團隊進行了生命周期評估（LCA）。評估由博士后研究員 Zhangfan Jiang和Lisa Colosi Peterson教授共同進行。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)3D打印水泥基混合物相比，添加GNP可減少近31%的溫室氣體排放。

Zhangfan Jiang表示：“能夠全面了解這種新混凝土的環(huán)境足跡非常重要�！彼麖娬{(diào)了石墨烯增強LC2混凝土在促進更可持續(xù)建筑實踐方面的巨大潛力。Ozbulut教授指出，與VTRC的合作對于揭示新混凝土的基本特性至關(guān)重要。他認為，這種石墨烯增強材料在交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域尤其有前景，可以將技術(shù)性能與環(huán)境目標完美結(jié)合。

行業(yè)合作與應用
先進工程材料集團Versarien與建筑公司Balfour Beatty合作，開發(fā)了一種低碳、3D打印砂漿，旨在提高土木工程的可持續(xù)性和效率。這個為期12個月的項目將專注于制造石墨烯注入砂漿，以減少碳排放，同時滿足建筑需求。Balfour Beatty的公路部門將測試該材料與傳統(tǒng)材料的耐用性和成本效益，Versarien的Cementene外加劑可減少水泥用量。此外，該合作伙伴關(guān)系將建立一條英國供應鏈，吸引當?shù)毓�應商并與外部合作伙伴合作，以確保符合法規(guī)并獲得未來市場應用的認證。


△3D 打印的 Versarien 月球艙

近年來，可持續(xù)性一直是建筑業(yè)的重要議題，催生了許多環(huán)保方法。2024年9月，Mighty Buildings與霍尼韋爾合作，通過使用霍尼韋爾的Solstice液體發(fā)泡劑（LBA）進行隔熱，提高3D打印房屋的可持續(xù)性。這種發(fā)泡劑的全球變暖潛能值（GWP）僅為1，遠低于傳統(tǒng)隔熱材料。通過使用Solstice LBA，Mighty Buildings旨在減少碳排放、提高能源效率并改善家庭溫度控制。這些房屋在Mighty Buildings的蒙特雷工廠生產(chǎn)，可在一周內(nèi)建成�；裟犴f爾經(jīng)EPA認證的Solstice技術(shù)支持全行業(yè)的碳減排，還用于制冷、氣霧劑和醫(yī)用吸入器。

加泰羅尼亞高級建筑學院（IAAC）的研究人員使用Crane WASP 3D打印機創(chuàng)建了一座100平方米的原型低碳建筑，這是巴塞羅那3D打印地球森林校園TOVA項目的一部分。此建筑采用當?shù)赝寥篮吞烊徊牧辖ㄔ�，展示了可持續(xù)3D打印如何通過提供環(huán)保、適應性強的房屋來解決住房短缺問題。每面3D打印墻都包含通風腔，充當熱量和濕度調(diào)節(jié)器。據(jù)該團隊介紹，Crane WASP系統(tǒng)可以高效地建造穩(wěn)定、輕質(zhì)的墻壁，支撐木屋頂，并提供自然隔熱和采光。

上述創(chuàng)新舉措不僅推動了3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應用，也為實現(xiàn)更可持續(xù)的建筑實踐提供了新的方向。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110673