南洋理工大學(xué)研發(fā)新型3D打印混凝土技術(shù)：強度和耐久性更強

2024年12月17日，南極熊獲悉，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的3D打印混凝土技術(shù)，該技術(shù)能夠捕捉碳，為減少建筑行業(yè)的環(huán)境足跡提供了有前景的解決方案。

△研究題目為“利用原位二氧化碳和蒸汽集成3D打印混凝土進行碳捕獲和封存”（傳送門）

這一突破性研究發(fā)表在《Carbon Capture Science & Technology》期刊上，旨在通過減少材料用量、縮短施工周期和降低勞動力需求，顯著降低水泥的碳足跡。水泥生產(chǎn)每年排放約16億噸二氧化碳（CO2），占全球二氧化碳排放量的8%。研究結(jié)果表明，二氧化碳和蒸汽的注入顯著改善了混凝土的機械性能，與傳統(tǒng)的3D打印混凝土相比，新混凝土強度和耐久性更強。

△研究人員新開發(fā)的3D混凝土

這項研究的首席研究員、南洋理工大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院（MAE）及新加坡3D打印中心（SC3DP）主任Tan Ming Jen教授表示：“建筑行業(yè)是全球溫室氣體排放的重要來源之一。我們新開發(fā)的3D打印混凝土系統(tǒng)提供了一種減少碳排放的替代方案，不僅改善了混凝土的機械性能，還有效減少了該行業(yè)對環(huán)境的負面影響。進一步展示了將發(fā)電廠或其它工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的二氧化碳用于打印的可行性。考慮到傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)會排放大量二氧化碳，我們的方法提供了一種通過3D打印將二氧化碳回收并封存的創(chuàng)新方案�！�

△新系統(tǒng)將捕獲的二氧化碳直接封存到混凝土中，然后在噴嘴打印頭處沉積，從而實現(xiàn)人工加速碳化反應(yīng)并增強機械性能

新型3D混凝土可實現(xiàn)二氧化碳封存與吸收

為了實現(xiàn)這一新型3D混凝土打印系統(tǒng)，團隊將3D打印機與二氧化碳泵和蒸汽噴射器連接。在打印過程中，系統(tǒng)將二氧化碳和蒸汽注入混凝土混合物中。二氧化碳與混凝土成分反應(yīng)后，轉(zhuǎn)化為固體并永久儲存，鎖定在材料內(nèi)部。同時，蒸汽的引入有助于提升3D打印結(jié)構(gòu)對二氧化碳的吸收能力，從而增強混凝土的性能。

在實驗室測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)使用該系統(tǒng)打印的混凝土結(jié)構(gòu)可打印性提高了50%，意味著成型和打印效率得到了顯著提升。與此同時，打印出的混凝土展現(xiàn)出更優(yōu)越的強度和耐用性。與傳統(tǒng)3D打印混凝土相比，打印結(jié)構(gòu)的抗壓強度（即可承受的重量）提高了36.8%，抗彎強度（即斷裂前的彎曲程度）提高了45.3%。

值得注意的是，這一技術(shù)不僅顯著提高了性能，還在環(huán)境保護方面表現(xiàn)出色，與傳統(tǒng)3D打印方法相比，采用該系統(tǒng)可吸收和封存更多的二氧化碳，達到38%的提升。

研究的第一作者、南洋理工大學(xué)建筑與工程學(xué)院博士生Lim Sean Gip表示：“我們正處于一個關(guān)鍵的時刻，全球正在加速實現(xiàn)氣候變化目標(biāo)。我們相信我們的技術(shù)能夠幫助建筑行業(yè)朝著更加可持續(xù)的方向發(fā)展，”該研究的第一作者、南洋理工大學(xué)建筑與工程學(xué)院博士生Lim Sean Gip表示。

論文合著者、南洋理工大學(xué)工程與建筑學(xué)院研究員Daniel Tay博士補充道：“我們提出的系統(tǒng)展示了如何有效捕獲二氧化碳并將它用于混凝土3D打印，從而生產(chǎn)更堅固、更環(huán)保的建筑材料，推動建筑技術(shù)的持續(xù)進步。”

團隊相信，他們的創(chuàng)新對實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和減少建筑行業(yè)對傳統(tǒng)能源密集型材料（如鋼筋混凝土）的依賴具有重要意義。未來的研究將進一步優(yōu)化3D打印過程，提高生產(chǎn)效率，并探索使用廢氣代替純二氧化碳的可能性。

南洋理工大學(xué)以及國際合作伙伴已為這一創(chuàng)新申請了美國專利。