新墨西哥大学开发新型建筑材料，提升3D打印混凝土的柔韧性至11.9%

南极熊导读：虽然金属和塑料领域的3D打印技术已经相对成熟，但在混凝土打印领域，这项技术仍处于早期发展阶段。全球的研究人员正致力于探索新材料和工艺，以解决当前面临的挑战。

△新墨西哥大学团队获得“自增强超延展性水泥基材料”专利

2025年1月19日，南极熊获悉，新墨西哥大学（UNM）研究人员已为一种创新的可弯曲混凝土材料设计申请了专利，该材料专为3D建筑打印技术量身定制。这一突破性研究由助理教授Maryam Hojati领导，旨在解决传统建筑方法中存在的安全和成本问题，同时提高基础设施的耐用性和降低长期维护成本。

重新思考传统建筑

传统建筑方法依赖于重型机械和人工操作来安装钢梁或木梁，构建建筑框架。这一过程不仅成本高昂，而且充满危险。Hojati教授的研究团队致力于通过创新材料和制造技术解决这些挑战。

此外，团队还关注基础设施维护问题。尽管钢筋混凝土在建筑领域被广泛应用，但需要定期维修，增加了长期运营成本。Hojati指出：“混凝土本身不具备抗拉性能，这意味着它在受到拉力时非常脆弱。我们正在寻找一种材料，它不仅能够承受压力，也能抵抗拉力。”

Zafar博士在Hojati教授的指导下，成功开发出一种新型的超高延展性混凝土材料，新材料在不使用传统钢筋的情况下，能够自我支撑，从而克服了3D打印技术的一个关键障碍。Muhammad Saeed Zafar博士指出：“目前3D打印混凝土结构通常需要钢筋或其它支撑材料来维持结构完整性，这限制了3D打印的自动化潜能。”

可弯曲混凝土背后的科学

这种合成物质被称为自增强超延展性水泥材料，去年8月，新墨西哥大学雨林创新公司代表Hojati、Zafar和Amir Bakhshi申请了专利。Amir Bakhshi在该项目开发初期曾以研究助理和硕士生的身份参与其中。Zafar去年发表了他关于建筑和建筑材料中物质的研究成果。

研究人员指出，这种材料必须包含适量的纤维以实现自我支撑，同时保持适度的粘度，确保顺利通过打印喷嘴。这一平衡的实现是研究中的关键挑战。纤维含量过低可能导致打印结构的坍塌；而纤维过多，则可能阻碍材料的打印进程。因此，精确混合、测量和打印测试是确保材料可行性的必要步骤。

研究人员对可弯曲混凝土材料进行了多种形状和设计的打印测试，包括小型结构、棱镜和狗骨头形状，以评估弯曲强度和直接拉伸强度。通过不断试验和优化，他们探索了由聚乙烯醇、粉煤灰、硅灰和超高分子量聚乙烯纤维等不同材料和纤维组成的混合物。

△新型混凝土3D打印材料具备一定的柔韧性

最终，研究团队提交的专利中包含了四种不同的混合物配方，这些配方的应变能力提升了高达11.9%。Hojati教授解释说：“由于这种材料中加入了大量短聚合物纤维，它能够在受到弯曲或拉伸载荷时，将所有混凝土成分紧密结合在一起。如果这种材料得到大规模应用，我们可以显著减少对打印混凝土结构外部加固的需求。”

该研究得到了中南部各州交通运输联盟（Tran-SET）和第六区大学交通中心的资金支持。这些资金支持了三个研究项目：开发可3D打印的工程水泥材料、评估材料在新鲜和硬化状态下的性能、以及开发可3D打印的生态混凝土。经过前两个项目阶段的多次设计和测试，研究人员成功设计出提交专利申请的材料。

这项突破性的研究为3D建筑打印行业带来了新的可能性，预示着未来建筑和基础设施建设将更加高效、安全和经济。