伯克利研究员使用新型3D打印聚合物晶格作为混凝土增强材料

加州大学伯克利分校的一组研究人员开发了一种创新的新方法，该方法将3D打印的聚合物八边形格子并入混凝土结构中，从而使聚合物起到增强作用。

使用轻质聚合物晶格，可以将混合物中的混凝土含量降低约33％，从而降低了结构的总重量，同时还提高了其延展性。晶格增强结构也被证明与传统水泥一样具有承重能力，同时兼顾了两者的优点。

该研究的主要作者Brian Salazar解释了这项工作的动机：“随着我们建立越来越复杂的结构，我认为对我们来说很重要，'我们如何才能最好地加强这种结构？ '。目前，您仅使用了一些传统技术来加固已经使用了数十年的结构，而对于这是否是加固事物的最佳方式的质疑也没有太多。”

印刷，填充和测试晶格结构。加州大学伯克利分校的照片。

水泥的缺点

传统的陶瓷水泥混合物构成了出色的承重结构，并且易于使用，可以在世界上几乎任何地方用作建筑材料。但是，它本身就非常脆，众所周知，在受拉时，裂纹很容易在整个结构中传播。尽管钢筋通常是加固的首选方法，但它们可能昂贵，沉重且易于腐蚀-不理想。

据报道，水泥生产也是大气中二氧化碳的主要贡献者，据认为占世界排放总量的8％。通过减少甚至很少的混凝土使用量，当扩大规模时，这可能会对本地和全球环境产生重大影响。

该研究的通讯作者海登·泰勒（Hayden Taylor）解释说：“产生水泥的反应固有地产生二氧化碳。相比之下，通过使用生物聚合物，循环利用和可再生能源，有可能实现净碳中性甚至是碳负性聚合物。

一组3D打印的八位位格。图片来自加州大学伯克利分校。

聚合物晶格增强混凝土

伯克利大学的研究人员首先必须为其3D晶格选择最佳的几何形状，然后最终定居在八角形桁架上。八角形桁架是一种各向同性的结构，在20世纪中叶由建筑师Buckminster Fuller推广。几何形状既坚固又轻巧，更重要的是，它包括向各个方向延伸的臂。在FDM打印的ABS八位字节上的初始压缩载荷测试产生了一些有希望的结果，具有很高的应变密度和能量吸收值。

工程师然后用高性能水泥填充了一组密度不同的八进制八角形格子，就像您要排列的一系列钢筋一样。最薄的晶格结构占混合物体积的19.2％，最厚的晶格结构占33.7％。

有趣的是，虽然增加样品的总聚合物含量确实会降低其总体抗压强度，但同时也增加了样品的峰值载荷，而没有显着改变结构的机械性能。这意味着，尽管水泥用量大大减少了33.7％，但砌块的韧性几乎保持不变。在有前途的实验的背后，这项研究的下一步包括试验各种新颖的晶格几何形状以找到最佳的几何形状。

该研究的更多细节可以在题为“聚合物晶格增强以增强混凝土的延展性”的论文中找到。它由Brian Salazar等人合着。

格子钢筋混凝土砌块的横截面。加州大学伯克利分校的照片。

3D打印的优势已在建筑领域一次又一次地展现出来。苏黎世联邦理工学院的研究人员最近将3D打印与浇铸方法结合使用，设计出“蛋壳”混凝土3D打印工艺。将大型FDM打印与快速硬化的按需浇铸混凝土同时浇筑相结合，使团队能够以更节省材料的方式生产复杂的结构。

在德克萨斯州的其他地方，建筑公司ICON先前已与美国政府合作，以在彭德尔顿营海军陆战队基地展示3D打印的军事应用。具体来说，ICON培训了八名海军陆战队的工作人员使用其混凝土3D打印机，使他们能够在短短36个小时内从头开始打印车辆的皮革结构。