3D打印超高性能混凝土

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2022年12月10日，佛羅里達國際大學(FIU)的研究人員已獲得美國陸軍工程兵團授予的320萬美元（約2225萬人民幣），用於資助他們對3D打印超高性能混凝土(UHPC)的研究。

FIU 工程中心外的標誌

Source：FIU

雖然這種超高性能混凝土比傳統混凝土更堅固、更防水，但該材料已被證明不適合用作3D打印材料。因此，該大學的研究人員將開發新的超高性能混凝土配方以及新的3D打印方法。未來，這些材料將部署在民用或軍事基礎設施應用中。

FIU工程與計算學院的土木工程教授Atorod Azizinamini解釋說：“僅僅在結構上的外殼包裹超高性能混凝土就可以增加其總強度，該材料的特性使我們能夠建造結構更小、質量更輕的建築物。這意味著原材料消耗的更少，因此具有更節能和更少碳排放的優點。

由UHPC建造的橋樑

Source：the Portland Cement Association

什麼是超高性能混凝土？
UHPC也稱為活性粉末混凝土(RPC)，本質上是水泥基材料，其最小指定抗壓強度為17000磅/平方英寸(psi)或120 MPa。通常由矽酸鹽水泥、活性粉末、石灰石或石英粉、細砂、高效減水劑和水組成，UHPC的最高抗壓強度超過29000 psi。

由於這種水泥的基質由精細材料製成，它們往往會提供緻密、光滑的表面。UHPC還可以與金屬、合成或有機纖維結合使用，以提高其彎曲強度。這樣做會增加材料的延展性，並允許它們在負載下安全變形，即使在開裂後也是如此。

自2000年以來，UHPC已在美國上市。早些時候，UHPC已被用於北美的公路和鐵路基礎設施項目，但事實證明，將它們部署為3D打印材料存在質量問題。特別是，水泥在鋪設時凝固的方式，類似於人行道在硬化前的凝膠狀，已被證明難以用於3D打印建造，因為當分層時，它們會產生不一致，從而抑制結構的完整性。

美國防部建造的3D打印營房

Source：ICON

佛羅里達國際大學的320萬美元水泥研發計劃
為了克服這些障礙，該大學的一個團隊，現在正在尋求確定哪些成分可以防止UHPC 3D打印結構中形成缺陷。利用他們獲得的美國陸軍資助，該大學的教授提出了三種不同的打印方法，以及一個“成分清單”，皆在讓最終材料盡可能在本地實現採購。

這三種技術被理解為包括層打印、層噴塗和超高性能混凝土目前正在申請專利的新型擠壓3D打印技術。如果成功，該團隊認為這項研究，可以為建造更耐腐蝕的定制結構奠定基礎。

將來，這種技術可以證明在軍事應用中特別有用，允許不同地區人員按需3D打印基礎設施，例如橋樑的支撐梁。根據該大學團隊成員的說法，它們的研究成果還將幫助更偏遠地區的民用建築，可實現突破物流障礙等限制。

美國眾議院交通、住房和城市發展撥款小組委員會高級成員、美國眾議員Mario Diaz-Balart說，這是陸軍部隊對佛羅里達國際大學的一項重要投資。該項目將有助於保持他們的防禦保障能力，同時進一步推進創新並為他們在佛羅里達州的勞動力創造就業機會。

逐層建造建築物過程中的 3D打印噴嘴。

Source：CyBe Construction。

隨著混凝土 3D 打印繼續被吹捧為建造住房和基礎設施的潛在手段，正在進行大量研究以優化這些應用的技術。今年早些時候， RMIT University和 Hebei University of Technology 的工程師想出了一種拓撲優化 3D 打印結構並使其完全自支撐的方法。

新加坡南洋理工大學的研究人員還設法用回收玻璃代替沙子製作了 3D 打印混凝土。通過這樣做，該團隊旨在使玻璃成為沙子的可行混凝土替代品，而沙子正成為一種稀缺資源。

在其他地方，TU Graz團隊正在研究混凝土 3D 打印如何通過節省大量材料和削減二氧化碳排放來推動可持續發展。研究人員的工作見證了他們開發出比傳統建築板輕得多的混凝土構件，他們希望這有助於抵消建築的不利影響。