德黑蘭大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型混凝土，可以3D打印到房屋中，產(chǎn)生的二氧化碳排放量比目前的建筑少 400 倍。在模擬的家庭 3D 打印中，研究小組發(fā)現(xiàn)，使用與隔熱和相變材料 (PCM) 混合的活性氧化鎂可以降低其能源使用和環(huán)境影響。如果在更廣泛的范圍內(nèi)部署，工程師們表示，這種材料可以幫助 3D 打印成為解決住房短缺和氣候變化問(wèn)題的更具吸引力的工具。

該團(tuán)隊(duì)的 DesignBuilder 3D 打印房屋模型。圖片來(lái)自德黑蘭大學(xué)。

建筑業(yè)的碳排放

根據(jù)歐盟委員會(huì)的研究，傳統(tǒng)建造的建筑物占?xì)W盟產(chǎn)生的所有二氧化碳排放量的 36%。當(dāng)然，由于人口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)適用房建設(shè)是必要的，但更可持續(xù)地建設(shè)這些住房正迅速成為研究的熱門(mén)話題。這些研究通常圍繞減少建筑物的冷卻和加熱負(fù)荷展開(kāi)。

這樣做被認(rèn)為對(duì)于提高房屋建造過(guò)程的可持續(xù)性至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詭椭档团c建造和供暖相關(guān)的燃料需求。先前的研究發(fā)現(xiàn)，提高此類建筑物熱性能的一種方法是使用 PCM 進(jìn)行 3D 打印，能夠吸收特定范圍內(nèi)的熱量并管理內(nèi)部溫度。

然而，德黑蘭團(tuán)隊(duì)表示，這些 PCM 已被證明能夠“提高熱容量”，但它們的機(jī)械性能可能會(huì)下降，從而阻礙其最終用途應(yīng)用的潛力。工程師們還聲稱，將地聚合物網(wǎng)絡(luò)注入水泥中的其他材料在環(huán)境方面取得了不同程度的成功，其中一些仍然具有較高的二氧化碳排放量。

正在運(yùn)行的混凝土 3D 打印機(jī)。照片來(lái)自漢密爾頓實(shí)驗(yàn)室。

3D打印房更可持續(xù)

為了確定 3D 打印房的最佳水泥配方，該團(tuán)隊(duì)研究了模擬建筑的性能，通過(guò)氧化鎂 (RMC) 和硫鋁酸鈣 (CSA) 水泥實(shí)現(xiàn)。通過(guò) DesignBuilder 軟件進(jìn)行的測(cè)試，證明兩者都能夠快速設(shè)置并顯示出較高的初始強(qiáng)度水平，但 RMC 的抗壓強(qiáng)度更高，為 60 MPa。在分析這種虛擬兩層建筑的可持續(xù)性時(shí)，研究人員選擇對(duì)其進(jìn)行從運(yùn)輸?shù)讲牧虾碗娏κ褂玫娜芷谠u(píng)估 (LCA)。事實(shí)證明，LCA 的結(jié)果表明，他們的兩種水泥配方的生態(tài)影響都低于傳統(tǒng)的波特蘭水泥，而 CSA 的能耗高于 RMC。

為了使他們的材料更有效地控制內(nèi)部溫度，工程師后來(lái)在混合物中添加了氯化鈣。添加該化合物使混合物能夠被 3D 打印到混凝土中，當(dāng)它們達(dá)到熔點(diǎn)或冰點(diǎn)時(shí)，能夠吸收和釋放熱量。在模擬中用泡沫補(bǔ)充 RMC 也增強(qiáng)了這種效果，優(yōu)化了建筑物的絕緣。最終，人們發(fā)現(xiàn)鎂的存在會(huì)增加房屋墻壁的致癌毒性，但帶有絕緣材料的 3D 打印 RMC 對(duì)生態(tài)的影響最小。因此，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，3D 打印可以“極大地幫助降低未來(lái)建筑的能源消耗”，即使他們的 RMC 仍然非常耗水并且存在需要解決的毒性問(wèn)題。

研究人員的 LCA 結(jié)果。圖片來(lái)自德黑蘭大學(xué)。

AM 在自建筑行業(yè)中的潛力

正在進(jìn)行大量研究以優(yōu)化混凝土 3D 打印建筑的熱效率，特別是在建筑材料領(lǐng)域。例如，德克薩斯 A&M 大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了 3D 打印相變材料，可用于建造能夠被動(dòng)內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)的房屋。過(guò)去，Microlight3D 還獲得了歐盟的支持，以開(kāi)發(fā)用于建造“自冷”建筑的混凝土。作為未來(lái)和新興技術(shù) (FET) 計(jì)劃的一部分，該公司與五所歐洲大學(xué)合作，旨在設(shè)計(jì)一種能夠?qū)钩鞘袩釐u現(xiàn)象的微結(jié)構(gòu)材料。  

在其他地方，斯威本科技大學(xué)和河北科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法來(lái)使房屋建筑更加環(huán)保。通過(guò)開(kāi)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以及該技術(shù)對(duì)自然資源的依賴。

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