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越来越多的行业看好3D打印,甚至建筑行业已经开始尝试用水泥或其它材料去打印房子。但要想这么做,就得克服水泥材料强度不够、易坍塌等缺点。这次,美国维吉尼亚大学研究出一款能改进水泥缺点的材料,使打印出来的房子更坚固。
作为一种新的建筑技术,3D混凝土打列(3DCP)为快速原型设计和客制化提供了新的可能性。首先,使用电脑辅助设计(CAD)软体建立设计,然后将其转换为打印机的一组指令(G程式码),逐层分配混凝土。该技术可以精确、快速地打印复杂形状,减少劳力和材料浪费。
不过目前可用于打印的材料选择十分有限,且其可持续性和耐用性的问题仍然存在。于是,一些科学家将目光转向地球上丰富的可再生有机聚合物“纤维素”类衍生材料。
他们选用的CNF材料主要源自于木浆,纤维拥有长且细小、分散均匀、表面积高和易生物降解的优点。使其与水泥混合,可以增强水泥的物理和化学性质,非常适合作为增强水泥的拉伸、弯曲、压缩强度和耐久性的材料。
过程中,研究团队先是准备波特兰水泥、硫铝酸钙(CSA)、非晶硅灰(SF)和粉煤灰(FA)、细小的工业石英岩砂、膨胀剂(减少干燥收缩而开裂的风险)、减水剂(提高砂浆混合物的可操作性和强度),做成水泥砂浆。然后,他们再加入不同含量的CNF添加剂(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%),最终制成CNF混凝土。
研究人员使用流变仪对不同比例的CNF混凝土进行测试,以评估其变形和流动情况。3D水泥打印时,需要有一个适合的速度和压力去挤出混凝土,才能有效避免在打印过程中或打印结束后出现问题。
另外,他们把含有不同比例的CNF混凝土打印成不同方向的成品,并进行28天固化试验。之后对凝固后的物体进行拉伸、弯曲和压缩强度测试,以确定CNF对水泥复合材料产生的影响。
结果得到,水泥中CNF浓度越高,其抗变形能力越强,但塑形黏度增高和流动性变差,使得3D混凝土打印机需要用更强驱动力才能打印。另外,水泥中的CNF浓度越高,其含水量和化学键(羟基)比例会增加,这确保混凝土在水化过程中有足够的水分和固化性能。
他们还发现,混凝土在印刷过程中的CNF浓度含量在0%到0.1%之间时,打印层无法保持完整形状;CNF浓度在0.2%可以成型但无法正常叠层(容易坍塌);若CNF浓度在0.3%以上时,其形状保持率为99%,在叠层中较不易变形,且拥有良好的塑形能力。
他们对CNF浓度在0.3%以上的混凝土进行机械测试。结果发现,CNF浓度从0.3%增加到0.4%时,拉伸和弯曲强度都有增加,但浓度在0.5%时,拉伸和弯曲强度都出现下降。不过,CNF浓度在0.3%时,其抗压缩程度是三个浓度中表现最好的。
研究人员为了了解混凝土的内部原因,透过扫描式电子显微镜(SEM)观察这些不同比例CNF在水泥中的情况,得出CNF浓度在0.5%时,混凝土性能下降,这与它内部的奈米纤维团聚集、孔隙率增加、砂浆混合物操作性降低有关。
最终结论是,水泥中添加0.3%以上的CNF材料,即可以显著改善混凝土打印的整体效果。
维吉尼亚大学土木系教授奥斯曼‧E‧奥兹布鲁特(Osman E. Ozbulut)对该校的新闻室表示,“我们把奈米纤维混入3D水泥材料后,看到3D水泥的印刷性和机械测量方面得到改进。这表明奈米纤维材料混入商业印刷材料之中,有望为建筑带来更具弹性的实践。”
奥兹布鲁特教授还表示,过去CNF材料对传统的3D打印复合材料产生的影响尚不清楚,“但这次我们透过大量试验,更好地了解不同添加剂产生的效果,以提高3D打印结构的性能。”
未来实验团队会进一步测试CNF的性能,希望用于其它3D打印组件上,以达到增加拉力、弯曲性和抗压性。
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