3D 打印技术正在迅速发展，并在从生物组织的制造到能够去除水中持久性污染物的陶瓷的开发等应用领域展现出良好前景。
混凝土技术是有可能从 3D 打印中显著获益的一个行业。
这一数字凸显了混凝土行业对于可持续替代方案和改进措施的迫切需求。
3D 打印的混凝土建筑有望达成快速、环保的建造。然而，开发一种既适合打印又异常坚固的材料仍然是一个重大挑战。
弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员提出了一种新颖的解决方案：纤维素纳米纤维（CNF），这是一种源自植物的神奇材料。
他们正在探究 CNF 有可能怎样彻底改变 3D 打印混凝土。
“我们在可打印性和机械性能这两方面所看到的改进表明，将纤维素纳米纤维加入到商业可打印材料中，或许能够更快地促成更具弹性且环保的建筑实践，”土木与环境工程系的 Osman E. Ozbulut 教授说。
由木浆衍生的纤维素纳米纤维
在建筑施工中，专业打印机使用水泥基材料和计算机辅助设计逐层构建结构。然而，可打印材料的范围有限，其长期性能和环境影响仍不确定。
“我们正在处理相互矛盾的目标，”奥兹布卢特说。“这种混合物必须流动顺畅才能顺利制造，而且要硬化成具有关键特性的稳定材料，例如良好的机械强度、层间粘结和低导热性。”
纤维素纳米纤维从木浆中提取，使其既可再生又可持续。当应用于混凝土时，它增加了流动性，使打印更顺畅。但这还不是全部。纤维素纳米纤维还提高了混凝土的强度和耐久性，从而造就能够经受时间考验的建筑。
在测试中展现潜力
经过严格测试发现，含 CNF 的混凝土在受压时表现极佳，这使其成为用于建造有弹性结构的颇具前景的材料。
Ozbulut 及其团队针对不同的 CNF 浓度展开了实验。他们发现，至少 0.3%的 CNF 能极大地提升 3D 打印的水泥的流动性。流动性良好的混凝土混合物有助于把混凝土里的气泡排出去，避免形成会削弱结构的空隙。
有意思的是，对硬化样品进行的微观检查显示，其粘结性和整体结构完整性都有所改善。
奥兹布卢特团队所进行的进一步分析显示，碳纳米纤维增强的 3D 打印部件在拉伸、弯曲和压缩载荷下表现出了非凡的强度。
“如今，在设计混合物时存在诸多反复试验的情况。我们正在致力于满足对更多优质科学的需求，以更好地理解不同添加剂的影响，进而提高 3D 打印结构的性能，”奥兹布卢特在新闻稿中补充道。
3D 打印的混凝土建筑在住房领域是一项极具前景的发展。这些结构有几个好处，包括施工时间更短、能够使用回收材料、劳动力需求更低以及产生的废物最少。
此外，这种技术能够促成复杂设计的实现，而此类设计通常难以通过标准的建筑方法得以实现，研究结果将于 2024 年 9 月在《水泥与混凝土复合材料》一刊中被详细介绍。
