3D 打印混凝土的新突破，轻质高强的神奇配方
文摘
科学
2024-12-26 17:01
湖南
简介：轻质和超轻质水泥基复合材料在土木和建筑工程中有多种应用，特别是在建筑物的非结构部分，例如建筑外壳，建筑构件等。本研究侧重于基于微观结构的轻质和超轻质水泥基复合材料的设计，其密度范围从 0.4g/m3 到 1.5 g/m3。每种材料的可打印性都通过实验进行了评估，并结合了其加工-结构-性能的关系。还开发了一个基于微力学的模型来预测复合材料的热力学和力学性能。https://www.youtube.com/watch?v=emGAqcu8kSs非常感谢，谢谢穆罕默德。早上好，我叫周宏云，来自田纳西大学诺克斯维尔分校。亚当刚才为我做了一些铺垫，他谈到了水泥基复合材料的功能化解决方案。总的来说，这是我组在过去几年里进行了很多探索的一个方向。今天我想向大家介绍另一个方面的工作，就是轻质和超轻质水泥基复合材料的 3D 打印。这项工作是由我的两个研究生帕曼和里斯完成的，他们今天不能到场，所以我代表他们来介绍。我们在过去几年里做这项工作的一个动机是，我们在寻找一种交互式的设计空间，其中混凝土 3D 打印真正实现了材料的设计或功能化，以及建筑或其他基础设施的功能性。我们不再采用人们在过去几百年里一直在做的直线式的方法，而是开始将材料、几何形状等方面的设计融合在一起，以实现一些没有加性建造的东西。我们进入了功能性水泥复合材料的领域，我们引用了一篇最近的综述文章中的一张图。功能性水泥基复合材料是一个简单的概念，它已经存在了很长时间，通过在水泥基材料中添加功能性添加剂，我们可以创造或引发不同的性能，如力学、电学、电磁、热学等，这也是亚当今天早上介绍的内容，还有一些其他的可能性。我们重点研究的一类或者说一种复合材料，我们称之为含有夹芯添加剂的水泥基复合材料。所谓夹芯添加剂，就是一种简单的概念，它有一些微米或者纳米级的添加剂，我们加入其中，它有一个功能性的核心，然后用一种方式包裹起来。例如，微胶囊相变材料（PCM）就是一种用于热性能的夹芯添加剂，它有一个聚合物壳和一个 PCM 核心，以实现功能。它还可以应用于许多其他领域。这是一个相当简单的概念，也是一种容易制备的材料。当你简单地混合或替换一定比例的骨料，例如用这些功能性颗粒，它们大多数时候只是均匀地分布在整个材料中。这是我们做的一个微观 CT 扫描，抱歉我没有放上标尺，但是那些大的灰色的基本上是砂粒，你可以从中看出我们加入的功能性材料的大小和分布，那些小的气泡或者球形的就是那些添加剂。从材料设计的角度来看，这是一个非常经典的问题，在复合材料设计的领域中。这是一个多尺度的问题，因为你知道，它涉及到水泥和骨料，但是在我们的情况下，因为我们关注的研究是，我们看功能性颗粒是如何进入水泥体系的，它不与水泥发生反应，更多的是惰性的填料，所以我们真正需要关注的只是这个微观尺度的层面，从颗粒的大小来说，我稍后会谈到这个问题。设计方面，我们今天要介绍的很多工作，都是受到了之前关于轻质复合材料或水泥基复合材料的研究的启发，我们采用了合成泡沫的方法，这比用化学发泡的方法加入轻质颗粒更好，这些颗粒大多数时候是中空的气泡，可以是玻璃、塑料或者在这种情况下更多的是粉煤灰微珠，这样做的目的就是简单地降低密度和改变热导率，这也会带来一些副作用。我们几年前做的一些早期研究表明，使用这种方法可以实现相当高的强度材料，而且随着密度的降低，变化很小，它可以达到每立方米 1400 公斤的范围，对于一些配合比来说，没有显著降低机械强度。我想指出的是，这些趋势很大程度上取决于我们加入的颗粒的类型，更重要的是颗粒的大小，我们通常可以得到更高的机械性能。从这里开始，我们就开始思考，3D 打印怎么样，因为人们一直在尝试用轻质的三元混合物进行 3D 打印，有不同的努力。我们就去看了看人们一直在使用的所有不同的方法，最常见的是化学发泡，人们在混凝土行业里已经做了很多年，很简单，你只要在浆料中加入化学发泡剂，搅拌一下，它就会起泡，形成气泡，或者你可以预先发泡，然后把泡沫和水泥浆料混合，这样就会产生一种轻质的微观结构。但是在 3D 打印中，这有一个问题，我最近看了很多文献，就是试着让学生看看，人们用这种方法能达到什么样的密度范围，有一件事很明显，就是在 3D 打印中，这有点问题，当你挤出来的时候，如果空气含量很高，它们就会聚集在一起，形成一个连通的网络，而这样的副作用是，当你 3D 打印出来的东西，晶粒结构还不够强，抵抗重力，随着时间的推移，如果你里面有很多气泡，重力就会使它变形，导致非常严重的可施工性问题。所以我们就想，能不能用合成泡沫，因为它有一个刚性的壳，我们把它放进去，可施工性就不会是一个大问题，这是事实，但是问题是，你用这种方法能做的事情有限，就密度降低方面来说。即使是在相当高的轻质颗粒剂量下，我们只能把密度降到每立方米 1200 公斤左右的范围，这就让我们想，能不能用混合的方法来做，因为我们想降低密度，同时我们也不想失去可施工性。这背后的想法是，如果你有那些刚性的颗粒在里面，当你挤出来的时候，它们就会在表面形成一层壳，防止气泡聚集和变形。当你打印它的时候，你会有这些气泡在周围起泡，对吧，这些颗粒仍然可以在出来的时候形成一个相当稳定的骨架，所以我们的假设或者说想法是，这样能不能在同时降低密度的情况下保持形状。所以从这里开始，我们就设计了一大堆配合比来试验，我们有一个对照组，我们有两种化学发泡的配合比，还有一些就是合成泡沫，我们加了粉煤灰微珠，最后三个就是我们用的混合方法，你不用记住具体的数字，我只想快速地展示一下结果。我们进行了可挤出性测试，我想亚当已经讲过了，所以我就不多说了，重点是，即使在非常低的密度下，我们也能降到每立方米 470 公斤左右，这可能很令人印象深刻，我没有找到任何比这个更低的文献，所以这是可以 3D 打印的。但是，我真正想展示的是，我们的假设是有效的，因为即使在中等范围的空气引入剂的情况下，它在打印后很快就开始塌陷，所以这只是一个静态的形式，它能保持得很好，正如我们预期的那样，但是问题是，如果你增加了更多的可挤出性，就会成为一个问题，所有这些微米级的颗粒都会堵塞你的混合物，当你试图剪切它的时候，而这些基本上就是我们用的样品，我们用这种混合的方法制作的，它能够在我们降低密度之前，相当好地保持可施工性。所以，为了节省时间，我就快速地飞过一些结果，我们做了一些微观结构的扫描电镜和微观 CT，就是为了支持我们最初的假设，看看它在 3D 打印后的微观结构是什么样的。我们做了一些力学测试，包括压缩和界面剪切，然后我们就打印了一些房子，就是为了做一些养护处理，很小的剂量，它仍然是可行的，但是当我们增加剂量的时候，我们甚至不能制作出我们可以做力学测试的样品，但是在这里，用混合的方法，它的形状保持性得到了很大的改善。这是一些更多的结果，关于热性能，我们没有期待什么有趣的东西，只是想建立一些相关性，因为当我们降低密度的时候，热导率几乎成比例地下降，这也证明了我们的观点。我们做了一点建模，就是为了帮助我们设计配合比，我不会详细介绍我们的模型，只是想展示一下，如果你感兴趣，我可以给你一个出版物的链接，但是这个模型对于力学和某些性能的预测，对于这些泡沫材料来说，是相当好的。所以总之，我们探索了不同的方法，来做 3D 可打印的轻质混凝土，我们进行了一些标准的可打印性、力学、热性能测试，也验证了我们最初的假设，就是用混合的方法来推动更低密度的 3D 可打印混合物的边界，我认为这是可行的。我们还在完成这项工作的过程中，但是在此我要感谢所有的赞助商，还有 Mike，他和我们进行了很多讨论，他今天也在这里，多年来一直帮助我们，再次感谢大家。
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