3D 打印技術(shù)正在迅速發(fā)展，并在從生物組織的制造到能夠去除水中持久性污染物的陶瓷的開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出良好前景。
混凝土技術(shù)是有可能從 3D 打印中顯著獲益的一個行業(yè)。
這一數(shù)字凸顯了混凝土行業(yè)對于可持續(xù)替代方案和改進(jìn)措施的迫切需求。
3D 打印的混凝土建筑有望達(dá)成快速、環(huán)保的建造。然而，開發(fā)一種既適合打印又異常堅固的材料仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
弗吉尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員提出了一種新穎的解決方案：纖維素納米纖維（CNF），這是一種源自植物的神奇材料。
他們正在探究 CNF 有可能怎樣徹底改變 3D 打印混凝土。
“我們在可打印性和機械性能這兩方面所看到的改進(jìn)表明，將纖維素納米纖維加入到商業(yè)可打印材料中，或許能夠更快地促成更具彈性且環(huán)保的建筑實踐，”土木與環(huán)境工程系的 Osman E. Ozbulut 教授說。
由木漿衍生的纖維素納米纖維
在建筑施工中，專業(yè)打印機使用水泥基材料和計算機輔助設(shè)計逐層構(gòu)建結(jié)構(gòu)。然而，可打印材料的范圍有限，其長期性能和環(huán)境影響仍不確定。
“我們正在處理相互矛盾的目標(biāo)，”奧茲布盧特說?！斑@種混合物必須流動順暢才能順利制造，而且要硬化成具有關(guān)鍵特性的穩(wěn)定材料，例如良好的機械強度、層間粘結(jié)和低導(dǎo)熱性。”
纖維素納米纖維從木漿中提取，使其既可再生又可持續(xù)。當(dāng)應(yīng)用于混凝土?xí)r，它增加了流動性，使打印更順暢。但這還不是全部。纖維素納米纖維還提高了混凝土的強度和耐久性，從而造就能夠經(jīng)受時間考驗的建筑。
在測試中展現(xiàn)潛力
經(jīng)過嚴(yán)格測試發(fā)現(xiàn)，含 CNF 的混凝土在受壓時表現(xiàn)極佳，這使其成為用于建造有彈性結(jié)構(gòu)的頗具前景的材料。
Ozbulut 及其團(tuán)隊針對不同的 CNF 濃度展開了實驗。他們發(fā)現(xiàn)，至少 0.3%的 CNF 能極大地提升 3D 打印的水泥的流動性。流動性良好的混凝土混合物有助于把混凝土里的氣泡排出去，避免形成會削弱結(jié)構(gòu)的空隙。
有意思的是，對硬化樣品進(jìn)行的微觀檢查顯示，其粘結(jié)性和整體結(jié)構(gòu)完整性都有所改善。
奧茲布盧特團(tuán)隊所進(jìn)行的進(jìn)一步分析顯示，碳納米纖維增強的 3D 打印部件在拉伸、彎曲和壓縮載荷下表現(xiàn)出了非凡的強度。
“如今，在設(shè)計混合物時存在諸多反復(fù)試驗的情況。我們正在致力于滿足對更多優(yōu)質(zhì)科學(xué)的需求，以更好地理解不同添加劑的影響，進(jìn)而提高 3D 打印結(jié)構(gòu)的性能，”奧茲布盧特在新聞稿中補充道。
3D 打印的混凝土建筑在住房領(lǐng)域是一項極具前景的發(fā)展。這些結(jié)構(gòu)有幾個好處，包括施工時間更短、能夠使用回收材料、勞動力需求更低以及產(chǎn)生的廢物最少。
此外，這種技術(shù)能夠促成復(fù)雜設(shè)計的實現(xiàn)，而此類設(shè)計通常難以通過標(biāo)準(zhǔn)的建筑方法得以實現(xiàn)，研究結(jié)果將于 2024 年 9 月在《水泥與混凝土復(fù)合材料》一刊中被詳細(xì)介紹。
