新型3D打印聚合物晶格有效减少拌合物中混凝土含量

发布时间: 2022/06/13 发布者：原创浏览量：

加州大学伯克利分校的一组研究人员开发出一种创新方法，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，可以将拌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。

该项研究的主要作者Brian Salazar解释了这项工作的动机：“随着我们建立起越来越复杂的结构，如何才能更好地加强这种结构，了解这一点对我们来说很重要。目前采用的传统增强技术已经有几十年的历史，但对于其是否为最佳的增强方法尚未有太多质疑。”

打印，填充和测试晶格结构

水泥的缺点

传统的陶瓷水泥拌合物可以打造极佳的承重结构，可以在世界上几乎任何地方用作建筑材料。但是它自身却极易断裂，在受到压力时裂纹很容易在整个结构中扩散。尽管钢筋通常是加固的首选方法，但是因为成本高、重量大、且易腐蚀的特点而并非理想的方法。

众所周知，水泥制造业是二氧化碳排放大户，大约占世界碳排放总量的8％。通过减少即便看起来微不足道的混凝土用量，从更大的范围来看，这都将会对本地区和全球环境产生重大影响。

该研究的通讯作者解释说：“水泥制造过程本身就会产生二氧化碳。相比之下，通过使用生物聚合物以及可再生能源的回收利用，完全有可能获得碳中和甚至潜在负碳排的聚合物。”

3D打印的聚合物晶格

聚合物晶格增强混凝土

研究人员首先必须为他们的 3D 晶格选择最佳几何形状，最终选择了八角桁架——这是一种各向同性的结构，最早由建筑师巴克敏斯特·富勒在 20 世纪中叶开始推广。几何结构兼有坚固和轻便的特点，更重要的是，它还包括可以向各个方向延伸。在 FDM 打印的 ABS 晶格上进行的初始压缩载荷测试产生的结果很有前景，具有非常高的应变密度和能量吸收值。接下来工程师用高性能水泥填充了一组密度不同的晶格，形状类似并列的钢筋。最薄的晶格结构占拌合物体积的19.2％，最厚的晶格结构则占33.7％。

有趣的是，虽然增加样品中的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，并且没有明显改变结构的机械性能。这意味着，尽管水泥用量大幅减少33.7％，但韧性几乎保持不变。根据这项实验提供的研究前景，下一步研究将包括试验各种新型的几何体晶格以找到最佳的几何形状。

文章来源：3D打印行业网