Бетон — популярный материал для 3D-печати, особенно в строительном секторе . Это композитный материал из заполнителя — обычно геологических материалов, таких как гравий, песок и щебень, — который связывается жидким цементом и затвердевает с течением времени. В последние годы его становится все проще использовать для аддитивного производства. Стандартные бетонные 3D-принтеры похожи на принтеры FDM , работающие по принципу экструзии материала. Однако бетон оставляет огромный углеродный след. По данным Statista, производство цемента (который входит в состав бетона) только в 2022 году произвело 1,6 миллиарда метрических тонн углекислого газа. Поэтому это отличная новость, что исследователи разработали бетон для 3D-печати с низким уровнем выбросов углерода.

Бетонный материал для 3D-печати , разработанный исследователями из Университета Вирджинии, обладает многими многообещающими характеристиками: он прочен, долговечен и выделяет значительно меньше углерода, чем традиционные печатные бетонные смеси. Как им это удалось? Исследователи создали уникальную смесь графена, известняка и кальцинированного глиняного цемента (LC2).

Графен , аллотроп углерода, известен своей прочностью и легкостью. Осман Озбулут, профессор кафедры гражданского и экологического строительства UVA, объяснил: «Добавление графена в цемент LC2 дает уникальную возможность снизить выбросы углерода, сохраняя при этом прочность и гибкость, необходимые для 3D-печатного строительства».

Их исследование под названием «Реологические, механические и экологические характеристики печатных цементных композитов с графеном, известняком и кальцинированной глиной» было глубоким погружением в характеристики нового материала. Под руководством приглашенного ученого Тугбы Байтак и Тауфика Гдеха из UVA группа исследовала свойства текучести материала, механические характеристики и воздействие на окружающую среду.

Понимание низких выбросов углерода при производстве бетона

Команда провела оценку жизненного цикла (LCA), чтобы понять воздействие материала на окружающую среду. LCA отслеживает потребление энергии, необходимое для создания продукта, от начала до конца. Это было сделано Чжанфань Цзяном, постдокторантом кафедры гражданского и экологического строительства, в сотрудничестве с Лизой Колоси Петерсон, профессором экологического строительства в Университете Вирджинии. Примечательно, что они оба обнаружили, что бетон LC2 с графеновым усилением может сократить выбросы парниковых газов примерно на 31% по сравнению с традиционными печатными бетонными смесями. 

«Было важно увидеть полный экологический след этого нового бетона», — сказал Цзян. «Он не только демонстрирует лучшие механические характеристики, но и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, что делает технологию строительства из 3D-бетона более устойчивой по сравнению с традиционными методами 3D-печати с более высокими выбросами углерода».

Другими соавторами этого проекта были исследователи из Virginia Transportation Research Council (VTRC), что позволило команде UVA понять возможные применения материала в транспортной отрасли. Озбулут объяснил: «Сотрудничество с VTRC имело важное значение для раскрытия фундаментальных свойств этого нового бетона». 

Также примечательно, что Тугба Байтак, докторант Стамбульского технического университета, входил в состав исследовательской группы, а часть финансирования поступила от Научно-технического исследовательского совета Турции (TUBITAK) вместе с финансированием от Программы 3 Cavaliers Университета Вирджинии. Их исследование было опубликовано в журнале Journal of Building Engineering, 2024. 

Источник