新墨西哥大學(xué)開發(fā)新型建筑材料，提升3D打印混凝土的柔韌性至11.9%

南極熊導(dǎo)讀：雖然金屬和塑料領(lǐng)域的3D打印技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但在混凝土打印領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。全球的研究人員正致力于探索新材料和工藝，以解決當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

△新墨西哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)獲得“自增強(qiáng)超延展性水泥基材料”專利

2025年1月19日，南極熊獲悉，新墨西哥大學(xué)（UNM）研究人員已為一種創(chuàng)新的可彎曲混凝土材料設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利，該材料專為3D建筑打印技術(shù)量身定制。這一突破性研究由助理教授Maryam Hojati領(lǐng)導(dǎo)，旨在解決傳統(tǒng)建筑方法中存在的安全和成本問題，同時(shí)提高基礎(chǔ)設(shè)施的耐用性和降低長期維護(hù)成本。

重新思考傳統(tǒng)建筑

傳統(tǒng)建筑方法依賴于重型機(jī)械和人工操作來安裝鋼梁或木梁，構(gòu)建建筑框架。這一過程不僅成本高昂，而且充滿危險(xiǎn)。Hojati教授的研究團(tuán)隊(duì)致力于通過創(chuàng)新材料和制造技術(shù)解決這些挑戰(zhàn)。

此外，團(tuán)隊(duì)還關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)問題。盡管鋼筋混凝土在建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但需要定期維修，增加了長期運(yùn)營成本。Hojati指出：“混凝土本身不具備抗拉性能，這意味著它在受到拉力時(shí)非常脆弱。我們正在尋找一種材料，它不僅能夠承受壓力，也能抵抗拉力。”

Zafar博士在Hojati教授的指導(dǎo)下，成功開發(fā)出一種新型的超高延展性混凝土材料，新材料在不使用傳統(tǒng)鋼筋的情況下，能夠自我支撐，從而克服了3D打印技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵障礙。Muhammad Saeed Zafar博士指出：“目前3D打印混凝土結(jié)構(gòu)通常需要鋼筋或其它支撐材料來維持結(jié)構(gòu)完整性，這限制了3D打印的自動(dòng)化潛能�！�

可彎曲混凝土背后的科學(xué)

這種合成物質(zhì)被稱為自增強(qiáng)超延展性水泥材料，去年8月，新墨西哥大學(xué)雨林創(chuàng)新公司代表Hojati、Zafar和Amir Bakhshi申請(qǐng)了專利。Amir Bakhshi在該項(xiàng)目開發(fā)初期曾以研究助理和碩士生的身份參與其中。Zafar去年發(fā)表了他關(guān)于建筑和建筑材料中物質(zhì)的研究成果。

研究人員指出，這種材料必須包含適量的纖維以實(shí)現(xiàn)自我支撐，同時(shí)保持適度的粘度，確保順利通過打印噴嘴。這一平衡的實(shí)現(xiàn)是研究中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。纖維含量過低可能導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的坍塌；而纖維過多，則可能阻礙材料的打印進(jìn)程。因此，精確混合、測量和打印測試是確保材料可行性的必要步驟。

研究人員對(duì)可彎曲混凝土材料進(jìn)行了多種形狀和設(shè)計(jì)的打印測試，包括小型結(jié)構(gòu)、棱鏡和狗骨頭形狀，以評(píng)估彎曲強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度。通過不斷試驗(yàn)和優(yōu)化，他們探索了由聚乙烯醇、粉煤灰、硅灰和超高分子量聚乙烯纖維等不同材料和纖維組成的混合物。

△新型混凝土3D打印材料具備一定的柔韌性

最終，研究團(tuán)隊(duì)提交的專利中包含了四種不同的混合物配方，這些配方的應(yīng)變能力提升了高達(dá)11.9%。Hojati教授解釋說：“由于這種材料中加入了大量短聚合物纖維，它能夠在受到彎曲或拉伸載荷時(shí)，將所有混凝土成分緊密結(jié)合在一起。如果這種材料得到大規(guī)模應(yīng)用，我們可以顯著減少對(duì)打印混凝土結(jié)構(gòu)外部加固的需求。”

該研究得到了中南部各州交通運(yùn)輸聯(lián)盟（Tran-SET）和第六區(qū)大學(xué)交通中心的資金支持。這些資金支持了三個(gè)研究項(xiàng)目：開發(fā)可3D打印的工程水泥材料、評(píng)估材料在新鮮和硬化狀態(tài)下的性能、以及開發(fā)可3D打印的生態(tài)混凝土。經(jīng)過前兩個(gè)項(xiàng)目階段的多次設(shè)計(jì)和測試，研究人員成功設(shè)計(jì)出提交專利申請(qǐng)的材料。

這項(xiàng)突破性的研究為3D建筑打印行業(yè)帶來了新的可能性，預(yù)示著未來建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將更加高效、安全和經(jīng)濟(jì)。