Строительная индустрия, являясь одним из основных источников выбросов парниковых газов, уже давно стоит перед необходимостью поиска экологичных решений. Именно поэтому сингапурские ученые из Наньянского технологического университета (NTU) разработали инновационный метод 3D-печати бетона, который не только сокращает углеродный след, но и улучшает характеристики материала. Суть метода заключается в введении в бетонную смесь пара и углекислого газа, являющихся побочными продуктами промышленных предприятий. В результате химической реакции CO2 превращается в твердое вещество, прочно фиксируясь внутри бетонной структуры, что позволяет эффективно утилизировать отходы и снижать выбросы в атмосферу.
Детальное описание инновационного метода опубликовано в научном журнале Carbon Capture Science & Technology. Он нацелен на минимизацию углеродного следа цемента – материала, на долю которого приходится около 8% мировых выбросов CO2, что эквивалентно 1,6 миллиардам тонн углекислого газа ежегодно. Этого можно достичь, снизив количество используемого цемента, ускорив возведение зданий и уменьшив количество задействованных строителей.
Суть нового метода заключается в следующем: в процессе 3D-печати в бетонную смесь подаётся пар и углекислый газ, собранный в качестве побочных продуктов на промышленных предприятиях. Таким образом, CO2 не выбрасывается в атмосферу, а интегрируется непосредственно в структуру бетона и надежно там сохраняется. Важно отметить, что эта технология не только экологична, но и улучшает характеристики самого бетона. Испытания показали, что бетон, напечатанный с использованием этой технологии, прочнее обычного 3D-печатного бетона.
"Строительный сектор – один из крупнейших источников выбросов парниковых газов в мире", – отмечает руководитель исследования, профессор Тан Минг Джен из Школы механической и аэрокосмической инженерии и Сингапурского центра 3D-печати NTU.
Сегментация и анализ бетона, напечатанного на 3D-принтере, с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии; (а) реконструированный 3D-объем и (b) 2D-плоское поперечное сечение. Источник: Carbon Capture Science & Technology (2024). DOI: 10.1016/j.ccst.2024.100306
"Разработанная нами технология 3D-печати предлагает эффективный способ сокращения выбросов углерода. Она не просто улучшает механические свойства бетона, но и помогает снизить экологический ущерб от строительной отрасли. Мы показали, что CO2, выделяемый электростанциями или другими промышленными объектами, можно успешно использовать для 3D-печати бетоном, что особенно актуально, учитывая высокий уровень эмиссии углекислого газа при традиционном производстве цемента", добавил Тан Минг Джен.
Авторы разработки уверены, что их технология станет весомым вкладом в достижение целей устойчивого развития и поможет снизить зависимость строительной отрасли от энергозатратных процессов, например, от использования железобетона. Примечательно, что данный проект продолжает серию исследований в области 3D-печати для строительства, которые ведутся под руководством профессора Тана в NTU, в том числе в сотрудничестве с зарубежными учеными.
Для реализации своей идеи, ученые модифицировали 3D-принтер, подключив к нему систему подачи CO2 и парогенератор. В процессе печати эти компоненты синхронно подаются в бетонную смесь. Углекислый газ вступает в реакцию с составляющими бетона и преобразуется в твердое вещество, прочно фиксируясь в структуре материала.
Одновременно с этим, пар способствует лучшему поглощению CO2, что положительно сказывается на характеристиках получаемого бетона. Лабораторные тесты показали, что бетон, напечатанный по этой технологии, на 50% удобнее в работе: он легче поддается формовке и печати, что существенно ускоряет процесс строительства.
Кроме того, напечатанный с использованием этой технологии бетон показал значительный прирост прочности: на 36,8% выше прочность на сжатие и на 45,3% — на изгиб, по сравнению с обычным 3D-печатным бетоном.
Но и это еще не все! Данный метод позволяет улавливать и удерживать на 38% больше CO2, чем традиционные методы 3D-печати.
"Человечество вступило в решающую фазу борьбы с изменением климата. Мы убеждены, что наша технология поможет сделать строительную отрасль более экологически чистой", – комментирует Лим Шон Гип, один из авторов исследования.
"Наш метод демонстрирует, что улавливание и применение CO2 в 3D-печати бетоном открывает путь к созданию более прочных и экологически безопасных зданий, знаменуя новый этап развития строительных технологий", – подводит итог доктор Дэниел Тэй, соавтор исследования.
