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

据悉,美國(guó)宾夕法尼亚工(gōng)程學(xué)院和以色列魏茨曼建筑學(xué)院的多(duō)學(xué)科(kē)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(xīn)的建筑體(tǐ)系,可(kě)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(yòng)于生产(chǎn)材料、运输材料和建造建筑物(wù)的能(néng)源)和运营碳(加热和冷却建筑物(wù)所需的能(néng)源),他(tā)们的计划是让全球的建筑商(shāng)都能(néng)利用(yòng)上该技(jì )术。



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该图展示板、柱和梁中(zhōng)體(tǐ)现最小(xiǎo)化材料使用(yòng)和最大化表面积的设计理(lǐ)念


研究团队表示,為(wèi)了实现负碳建筑,必须考虑建筑功能(néng)的多(duō)个方面,包括查看减少隐含碳的材料量、用(yòng)于碳捕获的混凝土混合物(wù)以及减少能(néng)源使用(yòng)的运营绩效。他(tā)们的目标是找到最有(yǒu)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(lǐ)想形状,这些形状可(kě)以产(chǎn)生热质(zhì)量来被动加热和冷却内部。在此过程中(zhōng),他(tā)们正在创建具(jù)有(yǒu)非常大表面积的几何形状,这有(yǒu)助于从空气中(zhōng)吸收更多(duō)的碳,同时产(chǎn)生更多(duō)的温度调节,并且无需持续使用(yòng)能(néng)源来调节建筑物(wù)。


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3D打印碳吸收碳储存混凝土结构

宾夕法尼亚工(gōng)程學(xué)院材料科(kē)學(xué)与工(gōng)程系主任 Shu Yang 正在开发一种碳吸收和储存混凝土。Yang 的新(xīn)配方将从空气中(zhōng)去除碳,并在制造过程中(zhōng)捕获碳。该团队正在寻求开发一种新(xīn)的混合物(wù),部分(fēn)替代水泥,以实现最佳的碳减排效益和热性能(néng)。

2022 年,他(tā)们从美國(guó)能(néng)源部高级研究计划署能(néng)源部(ARPA-E)获得了 240 万美元的资金,作(zuò)為(wèi)其利用(yòng)排放到从大气中(zhōng)吸收碳的结构 (HESTIA) 计划的一部分(fēn),该计划支持碳汇的研究,或从大气中(zhōng)吸收的碳多(duō)于施工(gōng)过程中(zhōng)释放的碳的建筑物(wù)。从那时起,他(tā)们一直在探索如何优化由新(xīn)型碳吸收混凝土混合物(wù)制成的结构系统,这种混凝土混合物(wù)将捕获碳并从空气中(zhōng)去除碳。

这项目由来自德(dé)克萨斯 A&M 大學(xué)、纽约城市學(xué)院、费城建筑公(gōng)司 KieranTimberlake 和世界上最大的建筑材料制造商(shāng)之一Sika的研究人员协作(zuò)进行。由建筑师和工(gōng)程师组成的多(duō)机构团队反映了该项目的雄心壮志(zhì),即在建筑过程的所有(yǒu)方面寻求对典型基准的改进:结构系统、混凝土配方、施工(gōng)方法、制造工(gōng)艺和生命周期评估,包括材料生产(chǎn)、运输、施工(gōng)和 100 多(duō)年来的热性能(néng)中(zhōng)的碳使用(yòng)。

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混凝土的 3D 打印过程中(zhōng)嵌入温度传感器(引用(yòng)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(tā)们在内部放置传感器来指示板内的内部温度,并使用(yòng)计算流體(tǐ)动力學(xué)和能(néng)量建模来预测不同板设计的性能(néng)并提出改进建议。该团队的最终目标是将这些创新(xīn)作(zuò)為(wèi)预制的 3D 打印梁和带肋的地板拱门引入建筑市场。