研究人員利用3D打印技術(shù)顯著提升建筑混凝土組件的抗裂性能達(dá)63%

南極熊導(dǎo)讀：研究人員通過(guò)控制混凝土的硬化速度以減少制造過(guò)程中的變形，不僅確保了結(jié)構(gòu)的精確性和穩(wěn)定性，還顯著提升了建筑混凝土的斷裂韌性和耐損性。

2024年9月8日，南極熊獲悉，普林斯頓大學(xué)的研究人員近期在《自然通訊》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，展示了利用3D打印技術(shù)顯著提高混凝土構(gòu)件抗裂性的創(chuàng)新方法。該研究由普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程助理教授Reza Moini主導(dǎo)，論文標(biāo)題為《使用機(jī)器人增材制造技術(shù)制造堅(jiān)韌的雙纖維結(jié)構(gòu)混凝土材料》。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊上（傳送門）

研究表明，基于自然界的靈感，這種新型混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能比傳統(tǒng)澆鑄混凝土提高了63%。Moini教授指出，靈感來(lái)源于一種古老的魚類——腔棘魚的鱗片雙螺旋結(jié)構(gòu)。大自然通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和抗斷裂性，這一原理在該研究中得到了應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種三維排列混凝土的方法，利用機(jī)器人增材制造技術(shù)將混凝土排列成單個(gè)股線，并通過(guò)微弱的連接將這些股線結(jié)合在一起。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，研究人員能夠創(chuàng)建出多種功能形狀，例如梁，這些形狀依賴于在每個(gè)堆棧中稍微改變方向，以形成雙螺旋排列，從而顯著提高了材料的抗裂紋擴(kuò)展能力。

△受到古代腔棘魚的啟發(fā)，研究人員采用逐股雙絞結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)混凝土的韌性

該技術(shù)所提供的“增韌機(jī)制”包括多種防止裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，這些機(jī)制可以使裂紋在形成后偏離直線路徑，或者通過(guò)互鎖斷裂表面阻止裂紋擴(kuò)展。普林斯頓大學(xué)研究生、該論文的共同作者之一Shashank Gupta表示，在建筑構(gòu)件（如梁和柱）中大規(guī)模創(chuàng)建具有高幾何保真度的建筑混凝土材料有時(shí)需要借助機(jī)器人技術(shù)。沒有機(jī)器人的自動(dòng)化和精確度，為結(jié)構(gòu)應(yīng)用創(chuàng)建有目的的材料內(nèi)部排列將非常具有挑戰(zhàn)性。

△雙組分建筑3D打印工藝示意圖

作為這項(xiàng)工作的一個(gè)重要組成部分，研究人員還開發(fā)了一種定制解決方案，以應(yīng)對(duì)新鮮混凝土在自身重量下容易變形的問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器人澆注混凝土以形成結(jié)構(gòu)時(shí)，上層混凝土的重量會(huì)導(dǎo)致下層混凝土發(fā)生變形，從而影響最終建筑結(jié)構(gòu)的幾何精度。為了解決這一問(wèn)題，研究人員致力于更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造過(guò)程中出現(xiàn)變形。為此，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用了一種先進(jìn)的雙組分?jǐn)D出系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在機(jī)器人的噴嘴上。

該專用機(jī)器人系統(tǒng)有兩個(gè)入口：一個(gè)用于混凝土，另一個(gè)用于化學(xué)加速器。這些材料在噴嘴內(nèi)混合，加速器的作用是加速混凝土的固化過(guò)程，從而確保對(duì)結(jié)構(gòu)的精確控制并最大限度地減少變形。通過(guò)精確調(diào)整加速器的用量，研究人員能夠更好地控制結(jié)構(gòu)的幾何形狀，并減少較低層混凝土的變形。

該項(xiàng)目的部分支持由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)CMMI先進(jìn)制造計(jì)劃提供。