研究人员利用3D打印技术显著提升建筑混凝土组件的抗裂性能达63%

南极熊导读：研究人员通过控制混凝土的硬化速度以减少制造过程中的变形，不仅确保了结构的精确性和稳定性，还显著提升了建筑混凝土的断裂韧性和耐损性。

2024年9月8日，南极熊获悉，普林斯顿大学的研究人员近期在《自然通讯》期刊上发表了一项突破性研究，展示了利用3D打印技术显著提高混凝土构件抗裂性的创新方法。该研究由普林斯顿大学土木与环境工程助理教授Reza Moini主导，论文标题为《使用机器人增材制造技术制造坚韧的双纤维结构混凝土材料》。

△该研究已发表在《自然通讯》期刊上（传送门）

研究表明，基于自然界的灵感，这种新型混凝土结构的抗裂性能比传统浇铸混凝土提高了63%。Moini教授指出，灵感来源于一种古老的鱼类——腔棘鱼的鳞片双螺旋结构。大自然通过巧妙的结构设计来增强材料的强度和抗断裂性，这一原理在该研究中得到了应用。

研究团队提出了一种三维排列混凝土的方法，利用机器人增材制造技术将混凝土排列成单个股线，并通过微弱的连接将这些股线结合在一起。通过这种设计，研究人员能够创建出多种功能形状，例如梁，这些形状依赖于在每个堆栈中稍微改变方向，以形成双螺旋排列，从而显著提高了材料的抗裂纹扩展能力。

△受到古代腔棘鱼的启发，研究人员采用逐股双绞结构来增强混凝土的韧性

该技术所提供的“增韧机制”包括多种防止裂纹扩展的机制，这些机制可以使裂纹在形成后偏离直线路径，或者通过互锁断裂表面阻止裂纹扩展。普林斯顿大学研究生、该论文的共同作者之一Shashank Gupta表示，在建筑构件（如梁和柱）中大规模创建具有高几何保真度的建筑混凝土材料有时需要借助机器人技术。没有机器人的自动化和精确度，为结构应用创建有目的的材料内部排列将非常具有挑战性。

△双组分建筑3D打印工艺示意图

作为这项工作的一个重要组成部分，研究人员还开发了一种定制解决方案，以应对新鲜混凝土在自身重量下容易变形的问题。当机器人浇注混凝土以形成结构时，上层混凝土的重量会导致下层混凝土发生变形，从而影响最终建筑结构的几何精度。为了解决这一问题，研究人员致力于更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造过程中出现变形。为此，他们在实验室中使用了一种先进的双组分挤出系统，该系统安装在机器人的喷嘴上。

该专用机器人系统有两个入口：一个用于混凝土，另一个用于化学加速器。这些材料在喷嘴内混合，加速器的作用是加速混凝土的固化过程，从而确保对结构的精确控制并最大限度地减少变形。通过精确调整加速器的用量，研究人员能够更好地控制结构的几何形状，并减少较低层混凝土的变形。

该项目的部分支持由美国国家科学基金会CMMI先进制造计划提供。