宾夕法尼亚大学杨澍教授团队《AFM》：创新混凝土材料设计，解决传统碳捕获技术难题，实现高效深层碳储存！

摘要：混凝土是全球第二大使用材料，仅次于水，但其生产和使用过程却导致全球约8%的温室气体排放。传统混凝土碳捕获与储存（CCS）技术普遍存在工艺复杂、碳化速率慢、碳捕获能力有限、碳化不均匀以及成本高昂等诸多问题。此外，通过增加混凝土孔隙的方法虽能提升碳吸收量，却往往严

混凝土是全球第二大使用材料，仅次于水，但其生产和使用过程却导致全球约8%的温室气体排放。传统混凝土碳捕获与储存（CCS）技术普遍存在工艺复杂、碳化速率慢、碳捕获能力有限、碳化不均匀以及成本高昂等诸多问题。此外，通过增加混凝土孔隙的方法虽能提升碳吸收量，却往往严重削弱材料的结构强度，难以满足实际应用需求。

近日，美国宾夕法尼亚大学杨澍（Shu Yang）教授团队在《Advanced Functional Materials》发表了题为《3D Concrete Printing of Triply Periodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage》的研究论文（第一作者余堃豪 Kun-Hao Yu，现为雪城大学土木与环境工程系助理教授）。该研究提出了一种创新性的混凝土材料设计策略，通过引入来自硅藻化石的天然矿物“硅藻土”（Diatomaceous Earth, DE）作为部分水泥的替代材料，成功提高了混凝土材料的碳捕获效率、打印性能和结构强度。研究还采用先进的三周期最小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构设计，有效地提高了打印结构的表面积，从而进一步提高了混凝土结构在捕碳过程中的效能。

【图1 ：论文首页截图】

硅藻土主要由二氧化硅（SiO₂）组成，具有天然形成的层次孔隙结构。研究发现，其加入显著增加了混凝土的孔隙率与比表面积。在最佳配比（硅藻土/胶结材, DE/binder=0.3）下，混凝土28 天强度达到23 MPa，90 天提升至30 MPa，在相同水胶比（water/binder）条件下，其力学性能优于未掺杂和掺硅灰（silica fume/binder=0.3）的样品。混凝土的水分保持能力显著提高，进一步增强了打印性能。

图2 ：硅藻土增强混凝土孔隙率与机械性能

硅藻土赋予混凝土墨水优异的剪切稀化与快速粘度恢复性能，并具有优异的形状保持能力（shape-retainability）。即使使用更少的水泥，在力学试验中随混凝土凝固时间增加，材料表现出独特的应变硬化（strain-hardening）现象，大幅提高了3D打印的稳定性和精确性。

图3 ：硅藻土提高混凝土3D打印性能

硅藻土的优异性能使连续打印单壁圆柱结构不倒塌，相比未加入硅藻土的材料，其打印稳定性显著提升。此外，在连续打印过程中，硅藻土的加入提高了层间的水分与离子由上层向下层迁移的能力，有效避免结构底部因干燥或热量释放而出现裂纹，并将层间界面强度提高了178%。

图4 ：材料打印性能与层间水分迁移增强

团队联合宾夕法尼亚大学建筑系Masoud Akbarzadeh教授团队利用材料的优异性能设计并成功打印了无需额外支撑的钻石Diamond型TPMS结构。通过结构优化，与传统立方体结构相比，TPMS结构实现了材料用量减少78%、表面积增加515%的优势，大幅提高了碳捕获效率并有效降低了材料的使用量。此外，TPMS结构还能避免应力集中现象，更适用于实际混凝土结构的设计与应用。

图5 ：TPMS结构优化设计

通过扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）与热重分析仪(Thermal Gravimetric Analyzer, TGA) 分析证实，硅藻土促进了混凝土内碳酸钙晶核的形成，并有效维持了混凝土的多级孔隙结构，避免了传统混凝土碳化后表层致密化问题。实验显示，该材料7 天的碳捕获量达488.7 gCO₂每千克水泥，高于传统混凝土。此外，由于硅藻土孔隙网络的存在，材料深层（20-30 mm）的碳化仍能保持表层65%的效率。与传统的实心混凝土结构相比，TPMS结构的整体碳捕获效率提升了30%，体现出明显的深层均匀碳化优势。