加州大學(xué)伯克利分校的一組研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)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(jié)構(gòu)中，從而使聚合物起到增強(qiáng)作用。使用輕質(zhì)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(jié)構(gòu)的總重量，同時(shí)還提高了其延展性。晶格增強(qiáng)結(jié)構(gòu)也被證明與傳統(tǒng)水泥一樣具有承重能力，同時(shí)兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

該研究的主要作者Brian Salazar解釋了這項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)：“隨著我們正在建立越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我認(rèn)為對我們來說很重要，'我們?nèi)绾尾拍茏詈玫丶訌?qiáng)這種結(jié)構(gòu)？ '。目前，您僅使用了一些傳統(tǒng)技術(shù)來加固已經(jīng)使用了數(shù)十年的結(jié)構(gòu)，而對于這是否是加固事物的最佳方法的質(zhì)疑也沒有太多。”

印刷，填充和測試晶格結(jié)構(gòu)。加州大學(xué)伯克利分校的照片。

水泥的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的陶瓷水泥混合物構(gòu)成了出色的承重結(jié)構(gòu)，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(shí)，裂紋很容易在整個(gè)結(jié)構(gòu)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(jù)魔猴網(wǎng)了解，水泥生產(chǎn)也是大氣中二氧化碳的主要貢獻(xiàn)者，水泥生產(chǎn)占世界排放量的8％。通過減少甚至很少的混凝土使用量，當(dāng)擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，這可能會(huì)對本地和全球環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

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

一組3D打印的八位位格。圖片來自加州大學(xué)伯克利分校。

聚合物晶格增強(qiáng)混凝土

伯克利大學(xué)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(jié)構(gòu)，在20世紀(jì)中葉由建筑師Buckminster Fuller推廣。幾何形狀既堅(jiān)固又輕巧，更重要的是，它包括向各個(gè)方向延伸的臂。在FDM打印的ABS八位字節(jié)上的初始壓縮載荷測試產(chǎn)生了一些有希望的結(jié)果，具有很高的應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)占混合物體積的19.2％，最厚的晶格結(jié)構(gòu)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(shí)會(huì)降低其總體抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)也增加了樣品的峰值載荷，而沒有顯著改變結(jié)構(gòu)的機(jī)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(shí)驗(yàn)的背后，這項(xiàng)研究的下一步包括試驗(yàn)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(xué)伯克利分校的照片。

3D打印的優(yōu)勢已在建筑領(lǐng)域一次又一次地展現(xiàn)出來。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員最近將3D打印與澆鑄方法結(jié)合使用，設(shè)計(jì)出“蛋殼”混凝土3D打印工藝。將大規(guī)模FDM打印與快速硬化的按需澆鑄混凝土同時(shí)澆筑相結(jié)合，使團(tuán)隊(duì)能夠以更節(jié)省材料的方式生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

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(zhàn)隊(duì)基地展示了3D打印的軍事應(yīng)用。具體來說，ICON培訓(xùn)了八名海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的工作人員使用其混凝土3D打印機(jī)，使他們能夠在短短36個(gè)小時(shí)內(nèi)從頭開始打印車輛的皮革結(jié)構(gòu)。

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