弗吉尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)出新型3D打印水泥復(fù)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(xué)（UVA）的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新型3D打印水泥復(fù)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(qiáng)度和環(huán)保性能。這項(xiàng)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(xiàng)目由弗吉尼亞大學(xué)土木與環(huán)境工程系的Osman Ozbulut教授領(lǐng)導(dǎo)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響。


增強(qiáng)強(qiáng)度和可持續(xù)性
研究團(tuán)隊(duì)由弗吉尼亞大學(xué)彈性和先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的博士研究員Tuğba Baytak和Tawfeeq Gdeh與弗吉尼亞交通研究委員會(huì)（VTRC）合作進(jìn)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(guò)紫外可見(jiàn)光譜和動(dòng)態(tài)光散射等測(cè)試方法，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了分散質(zhì)量，以及抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。結(jié)果顯示，僅添加0.05%重量的GNP即可將抗壓強(qiáng)度提高23%，并且顯著提高了材料的可打印性，這對(duì)于3D打印應(yīng)用非常重要。



△石墨烯增強(qiáng)型 LC2 復(fù)合材料的三維打印性能評(píng)估

環(huán)境影響評(píng)估
為了評(píng)估這種新材料對(duì)環(huán)境的影響，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了生命周期評(píng)估（LCA）。評(píng)估由博士后研究員 Zhangfan Jiang和Lisa Colosi Peterson教授共同進(jìn)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。”他強(qiáng)調(diào)了石墨烯增強(qiáng)LC2混凝土在促進(jìn)更可持續(xù)建筑實(shí)踐方面的巨大潛力。Ozbulut教授指出，與VTRC的合作對(duì)于揭示新混凝土的基本特性至關(guān)重要。他認(rèn)為，這種石墨烯增強(qiáng)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(biāo)完美結(jié)合。

行業(yè)合作與應(yīng)用
先進(jìn)工程材料集團(tuán)Versarien與建筑公司Balfour Beatty合作，開(kāi)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(gè)為期12個(gè)月的項(xiàng)目將專(zhuān)注于制造石墨烯注入砂漿，以減少碳排放，同時(shí)滿足建筑需求。Balfour Beatty的公路部門(mén)將測(cè)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(guó)供應(yīng)鏈，吸引當(dāng)?shù)毓?yīng)商并與外部合作伙伴合作，以確保符合法規(guī)并獲得未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用的認(rèn)證。


△3D 打印的 Versarien 月球艙

近年來(lái)，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(guò)使用霍尼韋爾的Solstice液體發(fā)泡劑（LBA）進(jìn)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)隔熱材料。通過(guò)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。霍尼韋爾經(jīng)EPA認(rèn)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(jí)建筑學(xué)院（IAAC）的研究人員使用Crane WASP 3D打印機(jī)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(xiàng)目的一部分。此建筑采用當(dāng)?shù)赝寥篮吞烊徊牧辖ㄔ?，展示了可持續(xù)3D打印如何通過(guò)提供環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)的房屋來(lái)解決住房短缺問(wèn)題。每面3D打印墻都包含通風(fēng)腔，充當(dāng)熱量和濕度調(diào)節(jié)器。據(jù)該團(tuán)隊(duì)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(dòng)了3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用，也為實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的建筑實(shí)踐提供了新的方向。

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