水泥掺纤维素有望让3D打印房屋成主流
2020年11月26日，德国西部贝库姆，使用3D列印技术建造的住宅大楼。（Ina Fassbender/AFP via Getty Images）
越来越多的行业看好3D打印，甚至建筑行业已经开始尝试用水泥或其它材料去打印房子。但要想这么做，就得克服水泥材料强度不够、易坍塌等缺点。这次，美国维吉尼亚大学研究出一款能改进水泥缺点的材料，使打印出来的房子更坚固。
作为一种新的建筑技术，3D混凝土打列（3DCP）为快速原型设计和客制化提供了新的可能性。首先，使用电脑辅助设计（CAD）软件建立设计，然后将其转换为打印机的一组指令（G程式码），逐层分配混凝土。该技术可以精确、快速地打印复杂形状，减少劳力和材料浪费。
不过目前可用于打印的材料选择十分有限，且其可持续性和耐用性的问题仍然存在。于是，一些科学家将目光转向地球上丰富的可再生有机聚合物“纤维素”类衍生材料。
美国维吉尼亚大学土木系的研究团队，用植物中的纤维素提炼出纤维素纳米纤维（CNF）作为混合材料，并以适当比例混合到水泥中，以期未来用于3D打印建筑上。该项研究结果近期发表在《水泥和混凝土复合材料》杂志上。
他们选用的CNF材料主要源自于木浆，纤维拥有长且细小、分散均匀、表面积高和易生物降解的优点。使其与水泥混合，可以增强水泥的物理和化学性质，非常适合作为增强水泥的拉伸、弯曲、压缩强度和耐久性的材料。
过程中，研究团队先是准备波特兰水泥、硫铝酸钙（CSA）、非晶硅灰（SF）和粉煤灰（FA）、细小的工业石英岩砂、膨胀剂（减少干燥收缩而开裂的风险）、减水剂（提高砂浆混合物的可操作性和强度），做成水泥砂浆。然后，他们再加入不同含量的CNF添加剂（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），最终制成CNF混凝土。
研究人员使用流变仪对不同比例的CNF混凝土进行测试，以评估其变形和流动情况。3D水泥打印时，需要有一个适合的速度和压力去挤出混凝土，才能有效避免在打印过程中或打印结束后出现问题。
另外，他们把含有不同比例的CNF混凝土打印成不同方向的成品，并进行28天固化试验。之后对凝固后的物体进行拉伸、弯曲和压缩强度测试，以确定CNF对水泥复合材料产生的影响。
结果得到，水泥中CNF浓度越高，其抗变形能力越强，但塑形黏度增高和流动性变差，使得3D混凝土打印机需要用更强驱动力才能打印。另外，水泥中的CNF浓度越高，其含水量和化学键（羟基）比例会增加，这确保混凝土在水化过程中有足够的水分和固化性能。
他们还发现，混凝土在印刷过程中的CNF浓度含量在0%到0.1%之间时，打印层无法保持完整形状;CNF浓度在0.2%可以成型但无法正常叠层（容易坍塌）;若CNF浓度在0.3%以上时，其形状保持率为99%，在叠层中较不易变形，且拥有良好的塑形能力。
他们对CNF浓度在0.3%以上的混凝土进行机械测试。结果发现，CNF浓度从0.3%增加到0.4%时，拉伸和弯曲强度都有增加，但浓度在0.5%时，拉伸和弯曲强度都出现下降。不过，CNF浓度在0.3%时，其抗压缩程度是三个浓度中表现最好的。
研究人员为了了解混凝土的内部原因，透过扫描式电子显微镜（SEM）观察这些不同比例CNF在水泥中的情况，得出CNF浓度在0.5%时，混凝土性能下降，这与它内部的纳米纤维团聚集、孔隙率增加、砂浆混合物操作性降低有关。
最终结论是，水泥中添加0.3%以上的CNF材料，即可以显著改善混凝土打印的整体效果。
维吉尼亚大学土木系教授奥斯曼‧E‧奥兹布鲁特（Osman E. Ozbulut）对该校的新闻室表示，“我们把纳米纤维混入3D水泥材料后，看到3D水泥的印刷性和机械测量方面得到改进。这表明纳米纤维材料混入商业印刷材料之中，有望为建筑带来更具弹性的实践。”
奥兹布鲁特教授还表示，过去CNF材料对传统的3D打印复合材料产生的影响尚不清楚，“但这次我们透过大量试验，更好地了解不同添加剂产生的效果，以提高3D打印结构的性能。”
未来实验团队会进一步测试CNF的性能，希望用于其它3D打印组件上，以达到增加拉力、弯曲性和抗压性。
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