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(gè)行業(yè)。

這一數(shù)字凸顯了混凝土行業(yè)對(duì)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(jiān)固的材料仍然是一個(gè)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?cè)诳纱蛴⌒院蜋C(jī)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(shí)踐，”土木與環(huán)境工程系的 Osman E. Ozbulut 教授說(shuō)。

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(jī)使用水泥基材料和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)逐層構(gòu)建結(jié)構(gòu)。然而，可打印材料的范圍有限，其長(zhǎng)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(shuō)?！斑@種混合物必須流動(dòng)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(jī)械強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度和耐久性，從而造就能夠經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)的建筑。

在測(cè)試中展現(xiàn)潛力

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試發(fā)現(xiàn)，含CNF的混凝土在受壓時(shí)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(duì)針對(duì)不同的CNF濃度展開了實(shí)驗(yàn)。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(dòng)性。流動(dòng)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(huì)削弱結(jié)構(gòu)的空隙。

有意思的是，對(duì)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(duì)所進(jìn)行的進(jìn)一步分析顯示，碳納米纖維增強(qiáng)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(qiáng)度。

“如今，在設(shè)計(jì)混合物時(shí)存在諸多反復(fù)試驗(yàn)的情況。我們正在致力于滿足對(duì)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(bǔ)充道。

3D打印的混凝土建筑在住房領(lǐng)域是一項(xiàng)極具前景的發(fā)展。這些結(jié)構(gòu)有幾個(gè)好處，包括施工時(shí)間更短、能夠使用回收材料、勞動(dòng)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(jì)的實(shí)現(xiàn)，而此類設(shè)計(jì)通常難以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的建筑方法得以實(shí)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。

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