来源：环球零碳
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
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建筑行业是基础设施建设和城市扩张的基石，也是支撑全球各国经济发展的支柱之一。
然而，建筑行业对环境影响也同样显著。据测算，建筑业约占全球终端能源使用的36%，占全球温室气体排放的40%，而其中很大一部分都来自水泥的生产和制备。
传统的水泥建筑方法依赖于能源密集型工艺，温室气体排放约占全球总排放的8%。这也是为什么我国碳市场扩围，将率先纳入水泥熟料行业。
为了应对水泥产生的环境问题，新加坡南洋理工大学 (NTU) 的研究人员开发出了一种新型3D混凝土打印方法，不仅能实现二氧化碳封存，同时还提高了混凝土的机械性能。
近年来，随着研究人员的不断探索，3D混凝土打印（3DCP）的潜力日益凸显。
这项技术是以胶凝材料、掺合料、骨料为主制成的特殊“油墨”，运用计算机制图将建筑模型转化为三维设计图后，通过分层加工、叠加成型的方式“打印”出混凝土建筑。
来源：YouTube, @NTUsg该技术的优势体现在对自然资源的需求降低、现场施工周期的缩短、以及对劳动力需求的减少。据测算，3D混凝土打印在实现可持续发展方面的作用可能使全球能源使用量减少5%。
不过，目前关于3D混凝土打印的研究大多侧重于可持续材料方面，比如设计绿色胶凝混合物以减少其碳足迹。
然而这项技术近来展现出的碳封存优势，相比施工简化和绿色材料带来的效益，甚至更加引人注目。
传统意义上的碳捕获与储存（CCS）等方式被认为是应对全球变暖效应的有利手段，但其成本极其高昂，而且可能会占用可耕种的农业用地。
而将3D混凝土打印与CCS 技术相结合不仅同样有着巨大减碳潜力，还能增加水泥强度，可谓“两全其美”。
这项新进展以南洋理工大学SC3DP团队和国际合作者先前开展的3D建筑打印研究为基础发展而来，具体成果发表在科学期刊《碳捕获科学与技术》上。
通过3D打印水泥封存二氧化碳的关键原理，在于利用二氧化碳来固化混凝土，这种技术也称为加速碳固化 (ACC)，可改善混凝土的力学性能。
当混凝土的碱性成分，如水化石灰 (CH) 和硅酸钙水合物 (CSH)，与二氧化碳气体发生反应时，会产生碳酸钙 (CaCO3 ) 矿物的沉淀，同时封存二氧化碳。
为了将CCS技术与3D混凝土打印结合起来，实现人工加速碳化反应，南洋理工3D打印中心专门定制了带有喷嘴孔的龙门式打印机装置。
来源：Lim, S. et al.系统启动后，该装置会在打印时将二氧化碳作为添加剂泵入混凝土混合物中，蒸汽也会直接喷洒在混凝土表面。
在打印材料的过程中，二氧化碳与混凝土中的成分发生反应，矿化成固体沉淀碳酸钙 (CaCO3)，这种稳定的化合物可确保二氧化碳永久存储在材料结构中。
在实验室测试中，NTU团队展示了新方法相较于传统3D打印混凝土显著的改进。
一方面，二氧化碳和蒸汽的结合显示出可打印性能的显著改善。
由于蒸汽在喷嘴附近的冷凝效应改变了水灰比，同时也改变了水泥水化的热动力学和体积流速，有助于改善凝固速度和碳化，从而实现更高效、更精确地塑造水泥结构。
加入二氧化碳和水泥的混合物打印材料，可实现叠加20层不倒塌，可建造高度比传统的3D打印技术提升了50%。
并且，在合适的固化条件下，3D打印水泥的机械强度也大幅提高，抗压强度（混凝土可承受的重量）提高了36.8%，弯曲强度（即材料在断裂前弯曲的能力）提高了45.3%。
图说：水泥机械强度测试
来源：Lim, S. et al.
此外，该方法最大的亮点在于，露天固化的水泥样品表现出了极高的碳封存量，与传统的3D混凝土打印方法相比，吸收的二氧化碳增加了38.2%。这是因为蒸汽的存在还促进了二氧化碳的吸收与材料的碳化进程。
研究团队相信，他们的技术创新对于实现全球可持续发展目标和减少行业对混凝土建筑等传统能源密集型工艺的依赖做出了有力贡献。
这项研究成功证明了在3D混凝土打印配置中同时加入CO2和蒸汽的好处。这种在生产更坚固的材料的同时捕获碳的双重优势，让这种技术成为了建筑行业的变革者。
这项研究的首席研究员、南洋理工大学机械与航空航天工程学院（MAE）和新加坡3D打印中心（SC3DP）的陈明仁教授强调了该研究的重要性：“这项技术证明了利用发电厂或其他行业产生的二氧化碳可以用于3D混凝土打印并封存的可能性。”
图说：使用新开发的3D混凝土打印方法获得的混凝土墙样本。
来源：YouTube, @NTUsg
第一作者、南洋理工大学工程与应用科学学院博士生Lim Sean Gip则强调了此类技术的紧迫性，“在全球气候变化努力加速的时代，我们的碳捕获技术为更可持续的建筑业提供了解决方案。”
目前，研究人员已与合作者共同提交了一份美国专利申请，以确保该创新的知识产权受到保护。
未来研究团队还将侧重于优化打印过程以提高效率，并探索使用废气（而不是纯二氧化碳），进一步提高系统的环境效益。
首图来源：OPENGOV
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参考资料：
[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772656824001180?via%3Dihub
[2]https://opengovasia.com/2024/12/18/singapore-ntus-sustainable-3d-concrete-printing-tech/
[3]https://www.ntu.edu.sg/news/detail/ntu-singapore-scientists-develop-3d-concrete-printing-method-that-captures-carbon-dioxide
[4]https://interestingengineering.com/innovation/3d-printing-traps-co2-in-concrete
[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1068413
[6]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241216130026.htm
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