研究人員利用3D打印技術顯著提升建筑混凝土組件的抗裂性能達63%

南極熊導讀：研究人員通過控制混凝土的硬化速度以減少制造過程中的變形，不僅確保了結構的精確性和穩(wěn)定性，還顯著提升了建筑混凝土的斷裂韌性和耐損性。

2024年9月8日，南極熊獲悉，普林斯頓大學的研究人員近期在《自然通訊》期刊上發(fā)表了一項突破性研究，展示了利用3D打印技術顯著提高混凝土構件抗裂性的創(chuàng)新方法。該研究由普林斯頓大學土木與環(huán)境工程助理教授Reza Moini主導，論文標題為《使用機器人增材制造技術制造堅韌的雙纖維結構混凝土材料》。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊上（傳送門）

研究表明，基于自然界的靈感，這種新型混凝土結構的抗裂性能比傳統(tǒng)澆鑄混凝土提高了63%。Moini教授指出，靈感來源于一種古老的魚類——腔棘魚的鱗片雙螺旋結構。大自然通過巧妙的結構設計來增強材料的強度和抗斷裂性，這一原理在該研究中得到了應用。

研究團隊提出了一種三維排列混凝土的方法，利用機器人增材制造技術將混凝土排列成單個股線，并通過微弱的連接將這些股線結合在一起。通過這種設計，研究人員能夠創(chuàng)建出多種功能形狀，例如梁，這些形狀依賴于在每個堆棧中稍微改變方向，以形成雙螺旋排列，從而顯著提高了材料的抗裂紋擴展能力。

△受到古代腔棘魚的啟發(fā)，研究人員采用逐股雙絞結構來增強混凝土的韌性

該技術所提供的“增韌機制”包括多種防止裂紋擴展的機制，這些機制可以使裂紋在形成后偏離直線路徑，或者通過互鎖斷裂表面阻止裂紋擴展。普林斯頓大學研究生、該論文的共同作者之一Shashank Gupta表示，在建筑構件（如梁和柱）中大規(guī)模創(chuàng)建具有高幾何保真度的建筑混凝土材料有時需要借助機器人技術。沒有機器人的自動化和精確度，為結構應用創(chuàng)建有目的的材料內部排列將非常具有挑戰(zhàn)性。

△雙組分建筑3D打印工藝示意圖

作為這項工作的一個重要組成部分，研究人員還開發(fā)了一種定制解決方案，以應對新鮮混凝土在自身重量下容易變形的問題。當機器人澆注混凝土以形成結構時，上層混凝土的重量會導致下層混凝土發(fā)生變形，從而影響最終建筑結構的幾何精度。為了解決這一問題，研究人員致力于更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造過程中出現(xiàn)變形。為此，他們在實驗室中使用了一種先進的雙組分擠出系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在機器人的噴嘴上。

該專用機器人系統(tǒng)有兩個入口：一個用于混凝土，另一個用于化學加速器。這些材料在噴嘴內混合，加速器的作用是加速混凝土的固化過程，從而確保對結構的精確控制并最大限度地減少變形。通過精確調整加速器的用量，研究人員能夠更好地控制結構的幾何形狀，并減少較低層混凝土的變形。

該項目的部分支持由美國國家科學基金會CMMI先進制造計劃提供。