前沿 | 混凝土3D打印碳吸收、碳储存结构技术,目标负碳建筑
2024-10-31

据悉,美国宾夕法尼亚工程学院和以色列魏茨曼建筑学院的多学科研究团队正在努力开发“3D打印碳吸收碳储存混凝土结构”,这是一种新的建筑体系,可以在混凝土结构的各个方面减少碳排放。它将减少隐含碳(用于生产材料、运输材料和建造建筑物的能源)和运营碳(加热和冷却建筑物所需的能源),他们的计划是让全球的建筑商都能利用上该技术。



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该图展示板、柱和梁中体现最小化材料使用和最大化表面积的设计理念


研究团队表示,为了实现负碳建筑,必须考虑建筑功能的多个方面,包括查看减少隐含碳的材料量、用于碳捕获的混凝土混合物以及减少能源使用的运营绩效。他们的目标是找到最有效的几何形状,以最大限度地减少所需材料的数量,从而减少隐含碳和建筑垃圾。


此外,该团队正在探索柱子、梁和板的理想形状,这些形状可以产生热质量来被动加热和冷却内部。在此过程中,他们正在创建具有非常大表面积的几何形状,这有助于从空气中吸收更多的碳,同时产生更多的温度调节,并且无需持续使用能源来调节建筑物。


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3D打印碳吸收碳储存混凝土结构

宾夕法尼亚工程学院材料科学与工程系主任 Shu Yang 正在开发一种碳吸收和储存混凝土。Yang 的新配方将从空气中去除碳,并在制造过程中捕获碳。该团队正在寻求开发一种新的混合物,部分替代水泥,以实现最佳的碳减排效益和热性能。

2022 年,他们从美国能源部高级研究计划署能源部(ARPA-E)获得了 240 万美元的资金,作为其利用排放到从大气中吸收碳的结构 (HESTIA) 计划的一部分,该计划支持碳汇的研究,或从大气中吸收的碳多于施工过程中释放的碳的建筑物。从那时起,他们一直在探索如何优化由新型碳吸收混凝土混合物制成的结构系统,这种混凝土混合物将捕获碳并从空气中去除碳。

这项目由来自德克萨斯 A&M 大学、纽约城市学院、费城建筑公司 KieranTimberlake 和世界上最大的建筑材料制造商之一Sika的研究人员协作进行。由建筑师和工程师组成的多机构团队反映了该项目的雄心壮志,即在建筑过程的所有方面寻求对典型基准的改进:结构系统、混凝土配方、施工方法、制造工艺和生命周期评估,包括材料生产、运输、施工和 100 多年来的热性能中的碳使用。

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混凝土的 3D 打印过程中嵌入温度传感器(引用友绿智库图片)

TAL 团队在一个特殊的气候室内测试房间规模的板模型。当打印的混凝土固化时,他们在内部放置传感器来指示板内的内部温度,并使用计算流体动力学和能量建模来预测不同板设计的性能并提出改进建议。该团队的最终目标是将这些创新作为预制的 3D 打印梁和带肋的地板拱门引入建筑市场。