3D 打印技術正在迅速發(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)等應用領域展現(xiàn)出良好前景。
混凝土技術是有可能從 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)替代方案和改進措施的迫切需求。
3D 打印的混凝土建筑有望達成快速、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)。
弗吉尼亞大學工程與應用科學學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計逐層構建結(jié)構。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，”奧茲布盧特說。“這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)。當應用于混凝土時，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)構的頗具前景的材料。
Ozbulut 及其團隊針對不同的 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)構的空隙。
有意思的是，對硬化樣品進行的微觀檢查顯示，其粘結(jié)性和整體結(jié)構完整性都有所改善。
奧茲布盧特團隊所進行的進一步分析顯示，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，在設計混合物時存在諸多反復試驗的情況。我們正在致力于滿足對更多優(yōu)質(zhì)科學的需求，以更好地理解不同添加劑的影響，進而提高 3D 打印結(jié)構的性能，”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域是一項極具前景的發(fā)展。這些結(jié)構有幾個好處，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，這種技術能夠促成復雜設計的實現(xiàn)，而此類設計通常難以通過標準的建筑方法得以實現(xiàn)，研究結(jié)果將于 2024 年 9 月在《水泥與混凝土復合材料》一刊中被詳細介紹。
