Инженеры UNM разрабатывают гибкий бетонный материал для строительной 3D-печати

Благодаря исследованиям Университета Нью-Мексико (UNM) бетон, любимый материал строительной 3D-печати становится все более современным. Там исследователи запатентовали дизайн гибкого бетонного материала.

Бетон крепкий и хорошо переносит сжатие. Но когда дело доходит до напряжения, материал не выдерживает. Он хрупок, потому легко трескается и ломается. Даже если он усилен сталью, он нуждается в регулярном текущем ремонте, независимо от того, используется ли он для зданий, мостов или тротуаров. Бетон с лучшими свойствами растяжения, как разработанный в UNM, может означать строительство более прочной инфраструктуры, которая служит длиннее и менее дорогостояща в обслуживании. Это может иметь особое значение в районах, чувствительных к стихийным бедствиям, таким как землетрясения, создающие боковые нагрузки на здания.

Согласно сообщению UNM об исследованиях, ученые со всего мира пытались разработать материалы и процессы, которые могли бы решить эти проблемы. Некоторые конструкции были частично построены с помощью 3D-принтеров, но большинство процессов требуют размещения таких материалов, как балки или арматура, что уменьшает автоматизацию, которую должна предложить 3D-печать. Чтобы напечатать что-либо без такой опоры, печатный материал должен быть достаточно прочным, чтобы поддерживать себя, одновременно пригодным для экструзии.

Марьям Ходжати, доцент кафедры гражданского строительства и инженерии окружающей среды Джеральда Мэя, стремилась найти решение. Ее ассистент-исследователь Мухаммад Саид Зафар объяснил их миссию: «Если мы сможем успешно разработать сверхвысокопластичный материал без использования обычных стальных прутков, то это решит проблему несовместимости армирования с процессом 3D-печати».

Ключом к созданию бетонной смеси была клетчатка. Зафар создал бетонные смеси с переменным количеством волокна, а чтобы проверить их жизнеспособность, он затем точно смешал, измерил и напечатал их. Процесс был сложным: слишком мало волокон приводило к сворачиванию отпечатков, а слишком много волокон приводило к тому, что смесь не проходила легко через принтер.

Зафар напечатал множество бетонных конструкций, в том числе небольшие конструкции, призмы и формы собачьих костей. После печати эти образцы были проверены на прочность на изгиб и прямое растяжение. Затем этот процесс повторили, и команда создала разные смеси из таких материалов, как поливиниловый спирт, летучая зола, кремнезем и полиэтиленовые волокна со сверхвысокой молекулярной массой.

Полученное вещество, которое они назвали «самоукрепляющимся ультрапластическим цементным материалом», запатентованным в августе 2024 года компанией UNM Rainforest Innovations от имени Ходжати, Зафара и Амира Бахши, работавшими ассистентом-исследователем в начале разработки проекта. В патенте они перечисляют четыре разных смеси с более высокой на 11,9% способностью к деформации.

«Благодаря введению в этот материал большого количества коротких полимерных волокон, он мог удерживать весь бетон вместе, когда он подвергался любой нагрузке на изгиб или растяжение», — сказал Ходжати. «Если мы используем этот материал в более крупных масштабах, мы можем минимизировать потребность во внешнем армировании бетонной конструкции».

Транспортный консорциум южно-центральных штатов (Tran-SET) и Университетский транспортный центр региона Six предоставили гранты на разработку бетоноподобного вещества, которое можно сгибать и печатать. UNM сообщила, что финансирование привело к трем исследовательским проектам: «разработка 3D-печатного инженерного цементного материала, оценка свойств материала как в свежем, так и затвердевшем состоянии и разработка 3D-печатного экобетона». После завершения первых двух проектов исследователи успешно разработали материал и подали его на патент.

Этот самоукрепляющийся сверхпластический цементный материал был бы оптимальным для 3D-печати зданий и другой инфраструктуры, предлагая большую устойчивость к стихийным бедствиям, менее частое техническое обслуживание и большую автоматизацию строительства. Однако Ходжати также нацелена на космос. В настоящее время она участвует в нескольких проектах, направленных на решение проблем космического строительства, где строительная 3D-печать может сыграть определенную роль.

"Это было очень успешное исследование", - сказал Ходжати. «Этот материал обладает свойством 3D-печати и очень высокой структурной жизнеспособностью, которая может быть использована в строительной отрасли».