利用纖維素納米原纖維增強(qiáng)的環(huán)保型混凝土3D打印技術(shù)

導(dǎo)讀：作為一種新型建筑技術(shù)，混凝土3D打印 (3DCP) 技術(shù)可以徹底改變建筑領(lǐng)域，為快速成型和定制提供新的可能性。目前，研究人員正在通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯扛倪M(jìn)3D混凝土打印施工技術(shù)，以使可打印材料更堅(jiān)固、更具可持續(xù)性、性能更佳。

△弗吉尼亞大學(xué)的工程師利用木漿制成的材料顯著提高了混凝土流動性能

2024年8月5日，南極熊獲悉，弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院宣稱，科研人員在探索植物基材料纖維素納米原纖維（CNF）應(yīng)用于3D打印混凝土技術(shù)方向取得了突破性進(jìn)展。這一研究成果將于2024年9月刊登在《Cement and Concrete Composites》雜志上。

△該研究的題目為“纖維素納米原纖維對3D打印水泥復(fù)合材料流變性和機(jī)械性能的影響”（傳送門）

土木與環(huán)境工程系教授Osman E. Ozbulut指出：“我們觀察到的可打印性和機(jī)械性能改進(jìn)表明，將纖維素納米原纖維與商業(yè)可打印材料結(jié)合，能夠迅速推動更具彈性和更環(huán)保的建筑實(shí)踐?！?br />

△弗吉尼亞大學(xué)土木工程研究人員正在研究混凝土打印機(jī)

技術(shù)研發(fā)背景和結(jié)論

3D打印混凝土建筑具有多重優(yōu)勢，如施工速度快、精度高、可使用再生材料、降低人工成本和減少浪費(fèi)。這種技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑中難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)前可選的打印材料有限，并且其可持續(xù)性和耐久性仍存在挑戰(zhàn)。

Ozbulut解釋道：“我們面臨的挑戰(zhàn)是如何在保證材料流動性的同時(shí)，確?；旌衔镌谟不缶邆潢P(guān)鍵的特性，如良好的機(jī)械強(qiáng)度、層間粘結(jié)性和低熱導(dǎo)率。”

纖維素納米原纖維源自木漿，可再生且對環(huán)境影響小。作為添加劑，這種稱為CNF的材料具有巨大潛力，能夠改善3D打印復(fù)合材料的流變性和機(jī)械強(qiáng)度。

在弗吉尼亞大學(xué)的Ozbulut彈性和先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)對CNF對傳統(tǒng)3D打印復(fù)合材料的影響進(jìn)行了深入研究。Ozbulut補(bǔ)充道：“目前，我們需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來精確設(shè)計(jì)混合物。我們正在努力滿足更高科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，以更好地理解不同添加劑對改善3D打印結(jié)構(gòu)性能的影響?！?br />
該研究團(tuán)隊(duì)由Ozbulut教授和弗吉尼亞大學(xué)博士校友Ugur Kilic共同領(lǐng)導(dǎo)。他們嘗試了不同比例的CNF添加劑，并發(fā)現(xiàn)添加至少0.3%的CNF顯著改善了流動性能。對硬化樣品進(jìn)行的微觀分析顯示出更優(yōu)秀的材料粘結(jié)性和結(jié)構(gòu)完整性。

Ozbulut實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步的測試表明，CNF增強(qiáng)的3D打印組件能夠承受拉伸、彎曲和壓縮。