研究人員利用3D打印技術顯著提升建筑混凝土組件的抗裂性能達63%
時間：2024-09-09 10:35 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
研究人員通過控制混凝土的硬化速度以減少制造過程中的變形，不僅確保了結構的精確性和穩定性，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，普林斯頓大學的研究人員近期在《自然通訊》期刊上發表了一項突破性研究，展示了利用3D打印技術顯著提高混凝土構件抗裂性的創新方法。該研究由普林斯頓大學土木與環境工程助理教授Reza Moini主導，論文標題為《使用機器人增材制造技術制造堅韌的雙纖維結構混凝土材料》。
△該研究已發表在《自然通訊》期刊上（傳送門）
研究表明，基于自然界的靈感，這種新型混凝土結構的抗裂性能比傳統澆鑄混凝土提高了63%。Moini教授指出，靈感來源于一種古老的魚類——腔棘魚的鱗片雙螺旋結構。大自然通過巧妙的結構設計來增強材料的強度和抗斷裂性，這一原理在該研究中得到了應用。
研究團隊提出了一種三維排列混凝土的方法，利用機器人增材制造技術將混凝土排列成單個股線，并通過微弱的連接將這些股線結合在一起。通過這種設計，研究人員能夠創建出多種功能形狀，例如梁，這些形狀依賴于在每個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展能力。
△受到古代腔棘魚的啟發，研究人員采用逐股雙絞結構來增強混凝土的韌性
該技術所提供的“增韌機制”包括多種防止裂紋擴展的機制，這些機制可以使裂紋在形成后偏離直線路徑，或者通過互鎖斷裂表面阻止裂紋擴展。普林斯頓大學研究生、該論文的共同作者之一Shashank Gupta表示，在建筑構件（如梁和柱）中大規模創建具有高幾何保真度的建筑混凝土材料有時需要借助機器人技術。沒有機器人的自動化和精確度，為結構應用創建有目的的材料內部排列將非常具有挑戰性。
△雙組分建筑3D打印工藝示意圖
作為這項工作的一個重要組成部分，研究人員還開發了一種定制解決方案，以應對新鮮混凝土在自身重量下容易變形的問題。當機器人澆注混凝土以形成結構時，上層混凝土的重量會導致下層混凝土發生變形，從而影響最終建筑結構的幾何精度。為了解決這一問題，研究人員致力于更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造過程中出現變形。為此，他們在實驗室中使用了一種先進的雙組分擠出系統，該系統安裝在機器人的噴嘴上。
該專用機器人系統有兩個入口：一個用于混凝土，另一個用于化學加速器。這些材料在噴嘴內混合，加速器的作用是加速混凝土的固化過程，從而確保對結構的精確控制并最大限度地減少變形。通過精確調整加速器的用量，研究人員能夠更好地控制結構的幾何形狀，并減少較低層混凝土的變形。
該項目的部分支持由美國國家科學基金會CMMI先進制造計劃提供。
(責任編輯：admin)
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