研究人员开发出3D打印可持续混凝土替代品，可在无支撑缝隙上成形

时间：2025-12-02 09:06 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

2025年12月1日，来自俄勒冈州立大学（OSU）研究人员称，开发出一种快速固化、环保的混凝土替代品，他们希望这种材料有朝一日能用于快速3D打印房屋和基础设施。这种新方法在快速、按需制造可持续基础设施方面展现出巨大的潜力。

△3D打印聚合物基混凝土结构

这项研究以题为“3D printing of sustainableinfrastructure using rapid-set clay concrete with biobased additives”的论文发表在《先进复合材料和混合材料》杂志上，由俄勒冈州立大学的德文·罗奇（Devin Roach）、尼古拉斯·贡萨尔维斯（Nicolas Gonsalves）等人联合撰写。项目得到了美国农业部、俄勒冈州立大学全球大麻创新中心和工程学院的支持。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1

人口的指数级增长导致了全球住房危机。为了解决这一问题，建筑3D打印技术已被广泛应用于按需基础设施建设。虽然3D打印具有更快的构建速度和更大的设计灵活性，但它也受到混凝土凝固速度慢、安装支撑结构需要中断施工以及水泥对环境造成巨大影响（约占全球二氧化碳排放量的8%）等因素的限制。

本研究提出了一种可3D打印的粘土基建筑材料，结构性能可与混凝土媲美，且打印后即可立即固化。这种新型粘土基材料其中的丙烯酰胺基粘合剂会发生一种称为正面聚合的化学反应，因此在从打印机挤出的过程中即可固化。传统的3D打印混凝土通常含有30%至60%的水泥粘合剂，而新型粘土基材料则含有70%至80%（重量百分比）的生物基材料，且可现场制备。这种材料甚至可以打印在无支撑的缝隙上，例如门窗开口的顶部边缘。

△利用正面聚合的3D打印聚合物基混凝土方法。a )挤出成型时正面聚合聚合物基混凝土的示意图（上、中）和图像（下），下图显示了本研究中使用的混合物，比例尺为10 mm。b) 构成快速凝固聚合物基混凝土的组分。c )用于正面聚合的聚合物粘合剂的化学配方。d )固化生物混凝土的抗压强度测试结果表明，抗压强度远高于住宅基础设施所需的17 MPa。e )固化时间测试表明，生物混凝土在聚合后立即达到瞬时强度，聚合时强度为3 MPa，3天后超过17 MPa。结果与未固化混凝土（红点）的强度（接近0 MPa）进行比较。

俄亥俄州立大学工程学院机械工程助理教授罗奇表示：“这种打印材料在打印后即可达到3兆帕的强度，可用于建造多层墙体和独立式悬挑结构，例如屋顶。它仅需三天即可超过17兆帕的强度，达到住宅结构混凝土所需的强度，而传统水泥基混凝土则需要长达28天的时间。”

这种新型材料主要由土壤、麻纤维、沙子和生物炭（一种富含碳的物质，由木屑和其他有机生物质在低氧条件下加热制成）组成，因此环境足迹远小于混凝土。混凝土的粘合剂水泥是在工业窑炉中通过释放碳的反应制成的，这些窑炉的加热温度通常超过1400摄氏度，而这些反应通常需要燃烧化石燃料产生的能量。

罗奇说：“我为我们这支创新型的跨学科团队感到无比自豪，他们研发出了一种能够从多方面改善人们生活的材料。尤其是在破坏性自然灾害频发的今天，我们需要能够迅速搭建住所和其他建筑物——而这种材料不仅易于获取，而且排放量相对较低，因此我们可以做到这一点。”

罗奇说：“目前，我们的材料成本高于标准水泥基混凝土，因此我们需要降低价格。此外，在使用前，我们还需要遵循美国材料与试验协会的标准测试，并准备一份报告，供专业工程师审核和批准，以便将其应用于建设项目中。”

(责任编辑：admin)

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