宾夕法尼亚大学的研究人员开发出一种可三维打印的混凝土，其中加入了硅藻土（DE），这是一种基于化石的材料，提取自古老的微型藻类。这种混合物旨在改善结构性能，提高二氧化碳（CO₂）吸收率，解决与传统混凝土相关的环境问题。
宾夕法尼亚大学的研究人员开发出一种可三维打印的混凝土，其中加入了硅藻土（DE），这是一种基于化石的材料，提取自古老的微型藻类。这种混合物旨在改善结构性能，提高二氧化碳（CO₂）吸收率，解决与传统混凝土相关的环境问题。
从藻类到建筑：二氧化碳捕获的巧妙组合
混凝土被广泛应用于基础设施中，但其排放的温室气体约占全球总量的 9%。为了减少这种影响，宾夕法尼亚大学的团队开发了一种混凝土，它比标准混合物多吸收 142% 的 CO₂，同时降低了水泥含量。
DE 多孔的海绵状结构改善了 3D 打印过程中的流动性，并为二氧化碳提供了结合点。它还有利于碳酸钙在固化过程中形成，从而增强材料的强度。这种方法解决了水泥基材料中常见的多孔性和机械强度之间的权衡问题。
研究人员利用三重周期性最小表面（TPMS）--受骨骼和珊瑚等结构启发而形成的有机形态--对混凝土的几何形状进行了改进，以最大限度地增加表面积和刚度，同时最大限度地减少材料用量。为了确保结构的稳定性，共同第一作者 Masoud Akbarzadeh 和他的团队采用了多面体图形静力学。这使得设计即使在有悬挑的情况下也能保持自承重，同时保持对二氧化碳暴露至关重要的内部空隙。为了增加加固效果，后张力缆索被战略性地集成到结构中。
测试表明，印刷混凝土的材料用量减少了 68%，表面积体积比提高了 500%以上，抗压强度保持了实心模板的 90%，单位水泥吸收的二氧化碳量增加了 32%。
扩大规模以产生影响
该团队正在使用植根于相同几何原理的加固策略，从原型推进到全尺寸建筑组件（例如地板、墙壁和外墙）。Akbarzadeh 强调，目前的努力旨在确保这些元素在建筑规模上在结构上可行。
该论文的共同第一作者、宾夕法尼亚大学工程学院材料科学系主任 Shu Yang 指出，这种材料的多孔性和生态兼容性使其非常适合于海洋修复应用--如人工鱼礁和牡蛎栖息地--它既能支持海洋生物生长，又能吸收海水中的二氧化碳。
进一步的研究正在探索替代粘结剂化学成分，如镁基或碱激活系统，以及整合工业废料流以替代传统水泥。
"我们想进一步推动这一想法。如果我们可以完全去除水泥呢？或者使用废料作为反应成分？当我们不再认为混凝土是静态的，而开始将其视为动态的--一种能对环境做出反应的东西时，我们就打开了一个充满可能性的全新世界，"杨补充道。
通过 3D 打印实现可持续建筑
2024 年，加泰罗尼亚高级建筑研究所（IAAC）的研究人员使用 Crane WASP 3D 打印机 3D 打印了一个 100 平方米的低碳排放建筑原型。这是位于巴塞罗那科尔塞罗拉自然公园（Collserola Natural Park）的三维打印地球森林校园（TOVA）的最新环保建筑。IAAC团队使用当地土壤和天然材料作为3D打印建筑研究生项目（3DPA）的原料。
在英国，Balfour Beatty 和材料专家 Versarien 正在合作开发用于建筑的低碳、注入石墨烯的 3D 打印砂浆。他们的合作伙伴关系旨在通过建立本地供应链和引入具有更高弹性和成本效益的材料来提高建筑耐久性和效率，同时减少对环境的影响。这些材料预计将由 Balfour Beatty 的高速公路部门在实际应用中进行评估，这标志着大型土木项目向更可持续、高性能替代品的转变。
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