伯克利研究人員使用新型3D打印聚合物網格作為混凝土增強材料

魔猴君  行業資訊   1619天前

加州大學伯克利分校的一組研究人員開發了一種創新的新方法，該方法將3D打印的聚合物八邊形格子并入混凝土結構中，從而使聚合物起到增強作用。使用輕質聚合物晶格，可以將混合物中的混凝土含量降低約33％，從而降低了結構的總重量，同時還提高了其延展性。晶格增強結構也被證明與傳統水泥一樣具有承重能力，同時兼顧了兩者的優點。

該研究的主要作者Brian Salazar解釋了這項工作的動機：“隨著我們正在建立越來越復雜的結構，我認為對我們來說很重要，'我們如何才能最好地加強這種結構？ '。目前，您僅使用了一些傳統技術來加固已經使用了數十年的結構，而對于這是否是加固事物的最佳方法的質疑也沒有太多。”

印刷，填充和測試晶格結構。加州大學伯克利分校的照片。

水泥的缺點

傳統的陶瓷水泥混合物構成了出色的承重結構，并且易于使用，可以在世界上幾乎任何地方用作建筑材料。但是，它本身就非常脆，眾所周知，在受拉時，裂紋很容易在整個結構中傳播。盡管鋼筋通常是加固的首選方法，但它們可能昂貴，笨重且易于腐蝕-不理想。據魔猴網了解，水泥生產也是大氣中二氧化碳的主要貢獻者，水泥生產占世界排放量的8％。通過減少甚至很少的混凝土使用量，當擴大規模時，這可能會對本地和全球環境產生重大影響。

該研究的通訊作者海登·泰勒（Hayden Taylor）解釋說：“產生水泥的反應固有地會產生二氧化碳。相比之下，通過使用生物聚合物，循環利用和可再生能源，有可能實現凈碳中性甚至是碳負性聚合物。

一組3D打印的八位位格。圖片來自加州大學伯克利分校。

聚合物晶格增強混凝土

伯克利大學的研究人員首先必須為其3D晶格選擇最佳的幾何形狀，然后最終定居在八角形桁架上。八角形桁架是一種各向同性的結構，在20世紀中葉由建筑師Buckminster Fuller推廣。幾何形狀既堅固又輕巧，更重要的是，它包括向各個方向延伸的臂。在FDM打印的ABS八位字節上的初始壓縮載荷測試產生了一些有希望的結果，具有很高的應變密度和能量吸收值。

工程師然后用高性能水泥填充了一組密度不同的八進制八角形格子，就像您要排列的一系列鋼筋一樣。最薄的晶格結構占混合物體積的19.2％，最厚的晶格結構占混合物的33.7％。有趣的是，雖然增加樣品的總聚合物含量確實會降低其總體抗壓強度，但同時也增加了樣品的峰值載荷，而沒有顯著改變結構的機械性能。這意味著，盡管水泥用量大大減少了33.7％，但砌塊的韌性幾乎保持不變。在有前途的實驗的背后，這項研究的下一步包括試驗各種新穎的晶格幾何形狀以找到最佳的幾何形狀。

格子鋼筋混凝土砌塊的橫截面。加州大學伯克利分校的照片。

3D打印的優勢已在建筑領域一次又一次地展現出來。蘇黎世聯邦理工學院的研究人員最近將3D打印與澆鑄方法結合使用，設計出“蛋殼”混凝土3D打印工藝。將大規模FDM打印與快速硬化的按需澆鑄混凝土同時澆筑相結合，使團隊能夠以更節省材料的方式生產復雜的結構。

在德克薩斯州的其他地方，建筑公司ICON此前已與美國政府合作，在彭德爾頓營海軍陸戰隊基地展示了3D打印的軍事應用。具體來說，ICON培訓了八名海軍陸戰隊的工作人員使用其混凝土3D打印機，使他們能夠在短短36個小時內從頭開始打印車輛的皮革結構。

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