伊莉討論區

標題: 水泥摻纖維素有望讓3D打印房屋成主流 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2024-8-19 06:29 AM 標題: 水泥摻纖維素有望讓3D打印房屋成主流

　　　　　[attach]140366917[/attach]
　　越來越多的行業看好3D打印﹐甚至建築行業已經開始嘗試用水泥或其它材料去打印房子。但要想這麼做﹐就得克服水泥材料強度不夠﹑易坍塌等缺點。這次美國維吉尼亞大學研究出一款能改進水泥缺點的材料使打印出來的房子更堅固。
　　作為一種新的建築技術﹐3D混凝土打列(3DCP)為快速原型設計和客製化提供了新的可能性。首先﹐使用電腦輔助設計(CAD)軟體建立設計﹐然後將其轉換為打印機的一組指令(G程式碼)﹐逐層分配混凝土。該技術可以精確﹑快速地打印複雜形狀﹐減少勞力和材料浪費。
　　不過目前可用於打印的材料選擇十分有限且其可持續性和耐用性的問題仍然存在。於是﹐一些科學家將目光轉向地球上豐富的可再生有機聚合物「纖維素」類衍生材料。美國維吉尼亞大學土木系的研究團隊用植物中的纖維素提煉出纖維素奈米纖維(CNF)作為混合材料並以適當比例混合到水泥中﹐以期未來用於3D打印建築上。該項研究結果近期發表在《水泥和混凝土複合材料》雜誌上。
　　他們選用的CNF材料主要源自於木漿﹐纖維擁有長且細小﹑分散均勻﹑表面積高和易生物降解的優點。使其與水泥混合﹐可以增強水泥的物理和化學性質﹐非常適合作為增強水泥的拉伸﹑彎曲﹑壓縮強度和耐久性的材料。過程中﹐研究團隊先是準備波特蘭水泥﹑硫鋁酸鈣(CSA)﹑非晶硅灰(SF)和粉煤灰(FA)﹑細小的工業石英巖砂﹑膨脹劑(減少乾燥收縮而開裂的風險)﹑減水劑(提高砂漿混合物的可操作性和強度)﹐做成水泥砂漿。然後﹐他們再加入不同含量的CNF添加劑(0%﹑0.1%﹑0.2%﹑0.3%﹑0.4%﹑0.5%)﹐最終製成CNF混凝土。
　　　　　[attach]140366918[/attach]
　　研究人員使用流變儀對不同比例的CNF混凝土進行測試以評估其變形和流動情況。3D水泥打印時需要有一個適合的速度和壓力去擠出混凝土才能有效避免在打印過程中或打印結束後出現問題。另外﹐他們把含有不同比例的CNF混凝土打印成不同方向的成品並進行28天固化試驗。之後對凝固後的物體進行拉伸﹑彎曲和壓縮強度測試﹐以確定CNF對水泥複合材料產生的影響。結果得到﹐水泥中CNF濃度越高﹐其抗變形能力越強﹐但塑形黏度增高和流動性變差﹐使得3D混凝土打印機需要用更強驅動力才能打印。另外﹐水泥中的CNF濃度越高﹐其含水量和化學鍵(羥基)比例會增加﹐這確保混凝土在水化過程中有足夠的水分和固化性能。
　　他們還發現﹐混凝土在印刷過程中的CNF濃度含量在0%到0.1%之間時﹐打印層無法保持完整形狀﹔CNF濃度在0.2%可以成型但無法正常疊層(容易坍塌)﹔若CNF濃度在0.3%以上時其形狀保持率為99%﹐在疊層中較不易變形且擁有良好的塑形能力。他們對CNF濃度在0.3%以上的混凝土進行機械測試。結果發現﹐CNF濃度從0.3%增加到0.4%時﹐拉伸和彎曲強度都有增加﹐但濃度在0.5%時拉伸和彎曲強度都出現下降。不過﹐CNF濃度在0.3%時﹐其抗壓縮程度是三個濃度中表現最好的。
　　研究人員為了瞭解混凝土的內部原因﹐透過掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察這些不同比例CNF在水泥中的情況﹐得出CNF濃度在0.5%時﹐混凝土性能下降﹐這與它內部的奈米纖維團聚集﹑孔隙率增加﹑砂漿混合物操作性降低有關。最終結論是水泥中添加0.3%以上的CNF材料﹐即可以顯著改善混凝土打印的整體效果。
　　維吉尼亞大學土木系教授奧斯曼‧E‧奧茲布魯特(Osman E. Ozbulut)對該校的新聞室表示﹐「我們把奈米纖維混入3D水泥材料後﹐看到3D水泥的印刷性和機械測量方面得到改進。這表明奈米纖維材料混入商業印刷材料之中﹐有望為建築帶來更具彈性的實踐。」奧茲布魯特教授還表示﹐過去CNF材料對傳統的3D打印複合材料產生的影響尚不清楚﹐「但這次我們透過大量試驗﹐更好地瞭解不同添加劑產生的效果﹐以提高3D打印結構的性能。」
　　未來實驗團隊會進一步測試CNF的性能﹐希望用於其它3D打印組件上﹐以達到增加拉力﹑彎曲性和抗壓性。

作者: rmingblack 時間: 2024-8-21 07:09 PM

美國研究團隊成功開發出含纖維素奈米纖維的新型3D打印混凝土，大幅提升強度與耐久性。

歡迎光臨伊莉討論區 (http://a401.file-static.com/)