美國陸軍撥款320萬美元用于開發(fā)3D打印超高性能混凝土

2022年12月10日，南極熊獲悉，佛羅里達(dá)國際大學(xué)(FIU)的研究人員已獲得美國陸軍工程兵團(tuán)授予的320萬美元（約2225萬人民幣），用于資助他們對3D打印超高性能混凝土(UHPC)的研究。

△FIU工程中心外的標(biāo)志

雖然這種超高性能混凝土比傳統(tǒng)混凝土更堅固、更防水，但該材料已被證明不適合用作3D打印材料。因此，該大學(xué)的研究人員將開發(fā)新的超高性能混凝土配方以及新的3D打印方法。未來，這些材料將部署在民用或軍事基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中。

FIU工程與計算學(xué)院的土木工程教授Atorod Azizinamini解釋說：“僅僅在結(jié)構(gòu)上的外殼包裹超高性能混凝土就可以增加其總強(qiáng)度，該材料的特性使我們能夠建造結(jié)構(gòu)更小、質(zhì)量更輕的建筑物。這意味著原材料消耗的更少，因此具有更節(jié)能和更少碳排放的優(yōu)點?！?br />

△由超高性能混凝土建造的橋梁

什么是超高性能混凝土？
UHPC也稱為活性粉末混凝土(RPC)，本質(zhì)上是水泥基材料，其最小指定抗壓強(qiáng)度為17000磅/平方英寸(psi)或120 MPa。通常由硅酸鹽水泥、活性粉末、石灰石或石英粉、細(xì)砂、高效減水劑和水組成，UHPC的最高抗壓強(qiáng)度超過29000 psi。

由于這種水泥的基質(zhì)由精細(xì)材料制成，它們往往會提供致密、光滑的表面。UHPC還可以與金屬、合成或有機(jī)纖維結(jié)合使用，以提高其彎曲強(qiáng)度。這樣做會增加材料的延展性，并允許它們在負(fù)載下安全變形，即使在開裂后也是如此。

自2000年以來，UHPC已在美國上市。早些時候，UHPC已被用于北美的公路和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施項目，但事實證明，將它們部署為3D打印材料存在質(zhì)量問題。特別是，水泥在鋪設(shè)時凝固的方式，類似于人行道在硬化前的凝膠狀，已被證明難以用于3D打印建造，因為當(dāng)分層時，它們會產(chǎn)生不一致，從而抑制結(jié)構(gòu)的完整性。

△ICON與美國防部合作建造的3D打印營房

佛羅里達(dá)國際大學(xué)的320萬美元水泥研發(fā)計劃
為了克服這些障礙，該大學(xué)的一個團(tuán)隊，現(xiàn)在正在尋求確定哪些成分可以防止UHPC 3D打印結(jié)構(gòu)中形成缺陷。利用他們獲得的美國陸軍資助，該大學(xué)的教授提出了三種不同的打印方法，以及一個“成分清單”，皆在讓最終材料盡可能在本地實現(xiàn)采購。

這三種技術(shù)被理解為包括層打印、層噴涂和超高性能混凝土目前正在申請專利的新型擠壓 3D打印技術(shù)。如果成功，該團(tuán)隊認(rèn)為這項研究，可以為建造更耐腐蝕的定制結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

將來，這種技術(shù)可以證明在軍事應(yīng)用中特別有用，允許不同地區(qū)人員按需3D打印基礎(chǔ)設(shè)施，例如橋梁的支撐梁。根據(jù)該大學(xué)團(tuán)隊成員的說法，它們的研究成果還將幫助更偏遠(yuǎn)地區(qū)的民用建筑，可實現(xiàn)突破物流障礙等限制。

美國眾議院交通、住房和城市發(fā)展撥款小組委員會高級成員、美國眾議員Mario Diaz-Balart說：“這是陸軍部隊對佛羅里達(dá)國際大學(xué)的一項重要投資。該項目將有助于保持我們的防御保障能力，同時進(jìn)一步推進(jìn)創(chuàng)新并為我們在佛羅里達(dá)州的勞動力創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會?！?br />

△逐層建造建筑物過程中的3D打印噴嘴

更多關(guān)于3D打印混凝土方向的研究
今年早些時候，新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種采用回收玻璃代替沙子制作了3D打印混凝土的新思路，因為沙子正成為一種稀缺資源。

在其他地方，TU Graz團(tuán)隊正在研究混凝土3D打印，如何通過節(jié)省大量材料和削減CO 2排放來推動可持續(xù)發(fā)展。研究人員的工作見證了他們開發(fā)出比傳統(tǒng)建筑板輕得多的混凝土構(gòu)件，他們希望這可以幫助抵消建筑的不利影響。