バージニア大学は、材料の印刷性を大幅に向上させた新しい3Dプリントセメント複合材料を開発した。

2024年10月、アンタークティックベアは、バージニア大学（UVA）の研究者がグラフェンと石灰石焼成粘土（LC2）を組み合わせた新しい3Dプリントセメント複合材料を開発し、材料の強度と環境性能を大幅に向上させたことを知りました。 「Journal of Building Engineering」に掲載された「石灰石と焼成粘土を使用した印刷可能なグラフェン強化セメント系複合材のレオロジー、機械的、環境的性能」と題されたこの研究は、現代の建設の課題を解決する上でこの新素材が持つ大きな可能性を実証しています。

△ グラフェン層

バージニア大学土木環境工学部のオスマン・オズブルット教授率いる研究チームは、ほんの少量のグラフェンナノプレート（GNP）を追加するだけでも、3Dプリント層の構造的完全性が大幅に向上し、環境への影響が軽減されることを発見しました。

強度と持続性の向上<br /> 研究チームは、バージニア大学レジリエンス・先進インフラ研究所の博士研究員トゥバ・バイタック氏とタウフィーク・グデ氏が率い、バージニア交通研究評議会（VTRC）と共同で行った。彼らは界面活性剤を利用した超音波処理を利用してGNPをLC2に分散させ、グラフェンが混合物中に均一に分散されるようにしました。

研究チームは、UV-可視分光法や動的光散乱などの試験方法を使用して、分散品質、圧縮強度、曲げ強度を評価しました。結果は、GNP を重量比でわずか 0.05% 追加するだけで圧縮強度が 23% 増加し、材料の印刷性が大幅に向上することを示しました。これは 3D 印刷アプリケーションにとって非常に重要です。

△グラフェン強化LC2複合材料の3Dプリント性能評価

環境影響評価<br /> この新素材の環境への影響を評価するために、研究チームはライフサイクルアセスメント（LCA）を実施しました。評価は、ポスドク研究員のZhangfan Jiang氏とLisa Colosi Peterson教授によって実施されました。結果によると、 GNP を追加すると、従来の 3D プリントされたセメントベースの混合物と比較して、温室効果ガスの排出量が約 31% 削減されました。

「この新しいコンクリートの環境への影響を完全に理解できることは非常に重要です」とジャンファン・ジャン氏は述べ、より持続可能な建設手法を促進する上でグラフェン強化LC2コンクリートの大きな可能性を強調した。オズブルット教授は、VTRCとの協力が新しいコンクリートの基本的な特性を明らかにする上で非常に重要であったと指摘した。彼は、このグラフェン強化材料は、技術的な性能と環境目標を完璧に組み合わせることができる交通インフラの分野で特に有望であると考えています。

業界協力と応用<br /> 先進工学材料グループの Versarien は、建設会社 Balfour Beatty と提携し、土木工学における持続可能性と効率性を向上させるように設計された低炭素の 3D プリントモルタルを開発しました。この12か月間のプロジェクトは、建設ニーズを満たしながら炭素排出量を削減するために、グラフェンを注入したモルタルを作成することに重点を置きます。バルフォア・ビーティーの高速道路部門は、バーサリエン社のセメント混和剤によってセメントの使用量を削減し、従来の材料と比較したこの材料の耐久性と費用対効果をテストする予定です。さらに、この提携により英国のサプライチェーンが確立され、地元のサプライヤーと連携し、外部のパートナーと協力して、将来の市場への応用に向けた規制遵守と認証を確保します。

△3Dプリントされたヴァーサリエン月着陸船

近年、持続可能性は建設業界の大きな話題となっており、環境に優しい多くのアプローチが生まれています。 2024 年 9 月、Mighty Buildings は Honeywell と提携し、Honeywell の Solstice 液体発泡剤 (LBA) を断熱材として使用することで、3D プリント住宅の持続可能性を向上させました。この発泡剤の地球温暖化係数（GWP）はわずか1で、従来の断熱材よりもはるかに低くなっています。 Mighty Buildings は、Solstice LBA を使用することで、炭素排出量を削減し、エネルギー効率を高め、家の温度制御を改善することを目指しています。住宅はマイティ・ビルディングズのモントレー工場で製造され、最短1週間で建設できる。 Honeywell の EPA 認定 Solstice テクノロジーは、業界全体の炭素削減をサポートし、冷蔵、エアロゾル、医療用吸入器にも使用されています。

カタルーニャ先端建築研究所 (IAAC) の研究者らは、バルセロナの 3D プリントアースフォレストキャンパスである TOVA プロジェクトの一環として、Crane WASP 3D プリンターを使用して 100 平方メートルの低炭素建築のプロトタイプを作成しました。地元の土壌と天然素材を使用して建てられたこの建物は、持続可能な 3D プリントが環境に優しく適応性のある住宅を提供することで、住宅不足に対処できることを示しています。 3D プリントされた各壁には、熱と湿度の調節器として機能する通気孔が含まれています。チームによれば、Crane WASP システムは、安定した軽量の壁を効率的に構築し、木製の屋根を支え、自然な断熱性と採光性を提供することができるという。

上記の革新的な対策は、建設業界における 3D プリント技術の応用を促進するだけでなく、より持続可能な建設慣行を実現するための新たな方向性も提供します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110673

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