研究人員使用3D印表機製造更堅固，更環保的混凝土

一個多世紀以來，鋼筋一直是加固混凝土的首選材料，但一種新方法有望讓這種常見的建築材料變得更加堅固和環保。科學家們利用3D列印技術生產了一種聚合物晶格結構，它可以作為低碳混凝土的骨架，同時還擁有很好的強度和耐久性。

▲ 為了製造複合樑，研究人員將超高性能混凝土澆築在晶格子周圍。 

這項研究是在加州大學柏克萊分校進行的，是在之前利用聚合物加固混凝土的基礎上進行的。大約在半個世紀前，聚合物作為鋼筋加固的一種有前途的替代物出現，鋼筋具有很高的強度，但沉重、昂貴且會隨著時間的推移而退化。

另一方面，聚合物重量輕、生產成本低、耐腐蝕。目前的方法包括在混凝土澆築前將這些纖維混合到混凝土中，但這可能會導致不均勻的分佈，這意味著最終結構的一些部分更堅固，而其他部分容易出現裂縫。

這項新研究背後的工程師試圖用3D列印的八角形聚合物晶格來解決這一缺陷，這種結構因其獨特的輕質和強度組合而受到青睞，人們希望透過密集排列的桁架來防止裂縫的形成。研究小組發現，使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物生產格子是成功的，然後用超高性能混凝土填充縫隙，這種混凝土的抗壓強度是普通混凝土的四倍。

▲ 3D研究人員在雅各布斯設計創新學院列印了一組八角形晶格。 

研究人員對這一配方的變化進行了實驗，使用了不同版本的聚合物晶格，使其占混凝土整體體積的比例從19.2%到高達33.7%不等。雖然這些調整在抗壓強度和峰值載荷方面帶來了微小的變化，但混凝土的整體機械性能基本保持不變。

「當一種材料很脆弱的時候，它可以承受一定的峰值載荷，然後它就會失效，」研究報告的合著者，土木與環境工程教授Claudia Ostertag說。「在這種情況下，我們沒有觀察到這種失敗。它變得越來越強。對於我們對混凝土感興趣的人來說，這是驚人的。你正在將一些很脆的東西渲染成很有韌性的東西。」

所有被測試的樣品在應變密度值上的得分都很高，因此能夠吸收大量的能量，而那些格子結構較薄的樣品和那些格子結構較厚的樣品一樣堅韌。這一部分是該研究項目總體目標之一的關鍵；使用更高濃度的替代材料來減少混凝土製造的碳足跡，因為混凝土製造的碳足跡占世界二氧化碳排放量的8%。

▲ 柏克萊分校的研究人員使用3D印表機製造出了聚合物格子強化樑。在彎曲試驗中，樑具有高度的柔韌性，大部分的裂紋被晶格鈍化。 

「產生水泥的反應本身就會產生二氧化碳，」研究報告的共同作者Hayden Taylor說。「相比之下，方過使用生物聚合物，回收和可再生能源，有一條可以想像的路線，走向碳中和甚至潛在的碳負值的聚合物。」

該團隊計畫用不同的晶格形狀進行實驗，看看不同的幾何形狀是否能發揮不同的用途。「未來，我最大的問題是如何為特定的應用選擇最佳的晶格結構，」研究主要作者Brian Salazar說。「可能會有更多的最佳幾何結構等待被發現。」

該研究發表在《材料與設計》雜誌上。

資料來源：Berkeley researchers use 3D printer to make stronger, greener concrete