美国陆军拨款320万美元用于开发3D打印超高性能混凝土

2022年12月10日，南极熊获悉，佛罗里达国际大学(FIU)的研究人员已获得美国陆军工程兵团授予的320万美元（约2225万人民币），用于资助他们对3D打印超高性能混凝土(UHPC)的研究。

△FIU工程中心外的标志

虽然这种超高性能混凝土比传统混凝土更坚固、更防水，但该材料已被证明不适合用作3D打印材料。因此，该大学的研究人员将开发新的超高性能混凝土配方以及新的3D打印方法。未来，这些材料将部署在民用或军事基础设施应用中。

FIU工程与计算学院的土木工程教授Atorod Azizinamini解释说：“仅仅在结构上的外壳包裹超高性能混凝土就可以增加其总强度，该材料的特性使我们能够建造结构更小、质量更轻的建筑物。这意味着原材料消耗的更少，因此具有更节能和更少碳排放的优点。”

△由超高性能混凝土建造的桥梁

什么是超高性能混凝土？
UHPC也称为活性粉末混凝土(RPC)，本质上是水泥基材料，其最小指定抗压强度为17000磅/平方英寸(psi)或120 MPa。通常由硅酸盐水泥、活性粉末、石灰石或石英粉、细砂、高效减水剂和水组成，UHPC的最高抗压强度超过29000 psi。

由于这种水泥的基质由精细材料制成，它们往往会提供致密、光滑的表面。UHPC还可以与金属、合成或有机纤维结合使用，以提高其弯曲强度。这样做会增加材料的延展性，并允许它们在负载下安全变形，即使在开裂后也是如此。

自2000年以来，UHPC已在美国上市。早些时候，UHPC已被用于北美的公路和铁路基础设施项目，但事实证明，将它们部署为3D打印材料存在质量问题。特别是，水泥在铺设时凝固的方式，类似于人行道在硬化前的凝胶状，已被证明难以用于3D打印建造，因为当分层时，它们会产生不一致，从而抑制结构的完整性。

△ICON与美国防部合作建造的3D打印营房

佛罗里达国际大学的320万美元水泥研发计划
为了克服这些障碍，该大学的一个团队，现在正在寻求确定哪些成分可以防止UHPC 3D打印结构中形成缺陷。利用他们获得的美国陆军资助，该大学的教授提出了三种不同的打印方法，以及一个“成分清单”，皆在让最终材料尽可能在本地实现采购。

这三种技术被理解为包括层打印、层喷涂和超高性能混凝土目前正在申请专利的新型挤压 3D打印技术。如果成功，该团队认为这项研究，可以为建造更耐腐蚀的定制结构奠定基础。

将来，这种技术可以证明在军事应用中特别有用，允许不同地区人员按需3D打印基础设施，例如桥梁的支撑梁。根据该大学团队成员的说法，它们的研究成果还将帮助更偏远地区的民用建筑，可实现突破物流障碍等限制。

美国众议院交通、住房和城市发展拨款小组委员会高级成员、美国众议员Mario Diaz-Balart说：“这是陆军部队对佛罗里达国际大学的一项重要投资。该项目将有助于保持我们的防御保障能力，同时进一步推进创新并为我们在佛罗里达州的劳动力创造就业机会。”

△逐层建造建筑物过程中的3D打印喷嘴

更多关于3D打印混凝土方向的研究
今年早些时候，新加坡南洋理工大学的研究人员开发了一种采用回收玻璃代替沙子制作了3D打印混凝土的新思路，因为沙子正成为一种稀缺资源。

在其他地方，TU Graz团队正在研究混凝土3D打印，如何通过节省大量材料和削减CO 2排放来推动可持续发展。研究人员的工作见证了他们开发出比传统建筑板轻得多的混凝土构件，他们希望这可以帮助抵消建筑的不利影响。