南洋理工大学研发新型3D打印混凝土技术：强度和耐久性更强_增材制造

2024年12月17日，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）研究人员开发了一种创新的3D打印混凝土技术，该技术能够捕捉碳，为减少建筑行业的环境足迹提供了有前景的解决方案。

△研究题目为“利用原位二氧化碳和蒸汽集成3D打印混凝土进行碳捕获和封存”（传送门）

这一突破性研究发表在《Carbon Capture Science & Technology》期刊上，旨在通过减少材料用量、缩短施工周期和降低劳动力需求，显著降低水泥的碳足迹。水泥生产每年排放约16亿吨二氧化碳（CO2），占全球二氧化碳排放量的8%。研究结果表明，二氧化碳和蒸汽的注入显著改善了混凝土的机械性能，与传统的3D打印混凝土相比，新混凝土强度和耐久性更强。

△研究人员新开发的3D混凝土

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）及新加坡3D打印中心（SC3DP）主任Tan Ming Jen教授表示：“建筑行业是全球温室气体排放的重要来源之一。我们新开发的3D打印混凝土系统提供了一种减少碳排放的替代方案，不仅改善了混凝土的机械性能，还有效减少了该行业对环境的负面影响。进一步展示了将发电厂或其它工业领域产生的二氧化碳用于打印的可行性。考虑到传统水泥生产会排放大量二氧化碳，我们的方法提供了一种通过3D打印将二氧化碳回收并封存的创新方案。”

△新系统将捕获的二氧化碳直接封存到混凝土中，然后在喷嘴打印头处沉积，从而实现人工加速碳化反应并增强机械性能

新型3D混凝土可实现二氧化碳封存与吸收

    为了实现这一新型3D混凝土打印系统，团队将3D打印机与二氧化碳泵和蒸汽喷射器连接。在打印过程中，系统将二氧化碳和蒸汽注入混凝土混合物中。二氧化碳与混凝土成分反应后，转化为固体并永久储存，锁定在材料内部。同时，蒸汽的引入有助于提升3D打印结构对二氧化碳的吸收能力，从而增强混凝土的性能。

    在实验室测试中，研究人员发现使用该系统打印的混凝土结构可打印性提高了50%，意味着成型和打印效率得到了显著提升。与此同时，打印出的混凝土展现出更优越的强度和耐用性。与传统3D打印混凝土相比，打印结构的抗压强度（即可承受的重量）提高了36.8%，抗弯强度（即断裂前的弯曲程度）提高了45.3%。

     值得注意的是，这一技术不仅显著提高了性能，还在环境保护方面表现出色，与传统3D打印方法相比，采用该系统可吸收和封存更多的二氧化碳，达到38%的提升。

研究的第一作者、南洋理工大学建筑与工程学院博士生Lim Sean Gip表示：“我们正处于一个关键的时刻，全球正在加速实现气候变化目标。我们相信我们的技术能够帮助建筑行业朝着更加可持续的方向发展，”该研究的第一作者、南洋理工大学建筑与工程学院博士生Lim Sean Gip表示。

论文合著者、南洋理工大学工程与建筑学院研究员Daniel Tay博士补充道：“我们提出的系统展示了如何有效捕获二氧化碳并将它用于混凝土3D打印，从而生产更坚固、更环保的建筑材料，推动建筑技术的持续进步。”

团队相信，他们的创新对实现全球可持续发展目标和减少建筑行业对传统能源密集型材料（如钢筋混凝土）的依赖具有重要意义。未来的研究将进一步优化3D打印过程，提高生产效率，并探索使用废气代替纯二氧化碳的可能性。

南洋理工大学以及国际合作伙伴已为这一创新申请了美国专利。