Інженери UNM розробляють гнучкий бетонний матеріал для будівельного 3D-друку

Завдяки дослідженням Університету Нью-Мексико (UNM) бетон, улюблений матеріал будівельного 3D-друку, стає все сучаснішим. Там дослідники запатентували дизайн гнучого бетонного матеріалу.

Бетон міцний і добре переносить стиснення. Але коли справа доходить до напруги, матеріал не витримує. Він крихкий, тому легко тріскається і ламається. Навіть якщо він посилений сталлю, він потребує регулярного поточного ремонту, незалежно від того, чи використовується він для будівель, мостів чи тротуарів. Бетон з кращими властивостями розтягування, як той, що розроблений в UNM, може означати будівництво міцнішої інфраструктури, яка служить довше та менш дорога в обслуговуванні. Це може мати особливе значення в районах, чутливих до стихійних лих, таких як землетруси, які створюють бічні навантаження на будівлі.

Згідно з повідомленням UNM про дослідження, вчені з усього світу намагалися розробити матеріали та процеси, які могли б вирішити ці проблеми. Деякі конструкції були частково побудовані за допомогою 3D-принтерів, але наразі більшість процесів вимагають розміщення таких матеріалів, як балки або арматура, що зменшує автоматизацію, яку має запропонувати 3D-друк. Щоб надрукувати щось без такої опори, друкований матеріал має бути достатньо міцним, щоб підтримувати себе, одночасно бути придатним для екструзії.

Мар’ям Ходжаті, доцент кафедри цивільного будівництва та інженерії навколишнього середовища Джеральда Мея, прагнула знайти рішення. Її асистент-дослідник Мухаммад Саїд Зафар пояснив їхню місію: «Якщо ми зможемо успішно розробити надвисокопластичний матеріал без використання звичайних сталевих прутків, то це вирішить проблему несумісності армування з процесом 3D-друку».

Ключем до створення бетонної суміші була клітковина. Зафар створив бетонні суміші зі змінною кількістю волокна, а щоб перевірити їх життєздатність, він потім точно змішав, виміряв і надрукував їх. Процес був складним: занадто мало волокон призводило до згортання відбитків, а занадто багато волокон призводило до того, що суміш не проходила легко через принтер.

Зафар надрукував багато бетонних конструкцій, у тому числі невеликі конструкції, призми та форми собачих кісток. Після друку ці зразки були перевірені на міцність на вигин і прямий розтяг. Потім цей процес повторили, і команда створила різні суміші з таких матеріалів, як полівініловий спирт, летюча зола, кремнезем і поліетиленові волокна з надвисокою молекулярною масою.

Отриману речовину, яку вони назвали «самозміцнюваним ультрапластичним цементним матеріалом», який було запатентовано в серпні 2024 року компанією UNM Rainforest Innovations від імені Ходжаті, Зафара та Аміра Бахші, які працювали асистентом-дослідником на початку розробки проєкту. У патенті вони перераховують чотири різні суміші з вищою на 11,9% здатністю до деформації.

«Завдяки введенню в цей матеріал великої кількості коротких полімерних волокон він міг утримувати весь бетон разом, коли він піддавався будь-якому навантаженню на вигин або розтяг», — сказав Ходжаті. «Якщо ми використовуємо цей матеріал у більших масштабах, ми можемо мінімізувати потребу у зовнішньому армуванні бетонної конструкції».

Транспортний консорціум південно-центральних штатів (Tran-SET) і Університетський транспортний центр регіону Six надали гранти на розробку бетоноподібної речовини, яку можна згинати й друкувати. UNM повідомила, що фінансування призвело до трьох дослідницьких проєктів: «розробка 3D-друкованого інженерного цементного матеріалу, оцінка властивостей матеріалу як у свіжому, так і затверділому стані та розробка 3D-друкованого екобетону». Після завершення перших двох проєктів дослідники успішно розробили матеріал і подали його на патент.

Цей самозміцнений надпластичний цементний матеріал був би оптимальним для 3D-друку будівель та іншої інфраструктури, пропонуючи більшу стійкість до стихійних лих, менш часте технічне обслуговування та більшу автоматизацію будівництва. Однак Ходжаті також націлена на космос. Наразі вона бере участь у кількох проєктах, спрямованих на вирішення проблем космічного будівництва, де будівельний 3D-друк може відіграти певну роль.

«Це було дуже успішне дослідження», — сказав Ходжаті. «Цей матеріал має властивість 3D-друку та дуже високу структурну життєздатність, яка може бути використана в будівельній галузі».