Исследовательская группа под руководством инженеров Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии первой изучила, как новый материал на растительной основе — нанофибриллы целлюлозы — может усилить преимущества технологии 3D-печати бетона.

«Улучшения, которые мы увидели как в плане пригодности для печати, так и в плане механических показателей, свидетельствуют о том, что включение целлюлозных нанофибрилл в коммерческие печатные материалы может привести к более надежным и экологичным методам строительства скорее раньше, чем позже», — сказал Осман Э. Озбулут, профессор кафедры гражданского строительства и экологического строительства.

Результаты работы его команды будут опубликованы в сентябрьском номере журнала Cement and Concrete Composites за 2024 год .

Здания из бетона, напечатанного на 3D-принтере, являются захватывающей тенденцией в жилищном строительстве и предлагают массу преимуществ: быстрое и точное строительство, возможно, из переработанных материалов, снижение затрат на рабочую силу и меньше отходов, и все это позволяет реализовывать сложные проекты, которые традиционным строителям было бы сложно реализовать.

В этом процессе используется специализированный принтер, который распределяет цементоподобную смесь слоями для создания структуры с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования. Но пока варианты печатных материалов ограничены, и остаются вопросы об их устойчивости и долговечности.

«Мы имеем дело с противоречивыми целями», — сказал Озбулут. «Смесь должна хорошо течь для гладкого изготовления, но затвердевать в стабильный материал с критическими свойствами, такими как хорошая механическая прочность, межслойное сцепление и низкая теплопроводность ».

Нанофибриллы целлюлозы производятся из древесной массы, создавая возобновляемый и малотоксичный материал. Как и другие производные растительных волокон, CNF, как этот материал известен в промышленности, демонстрирует большой потенциал в качестве добавки для улучшения реологии (научный термин для свойств текучести) и механической прочности этих композитов.

Однако, по словам Озбулута, до проведения тщательного исследования группой под руководством UVA в Лаборатории устойчивой и передовой инфраструктуры Озбулута влияние CNF на традиционные композиты, изготовленные на 3D-принтере, не было очевидным.

«Сегодня при проектировании смесей много проб и ошибок», — сказал он. «Мы удовлетворяем потребность в более качественной науке, чтобы лучше понимать влияние различных добавок на улучшение характеристик 3D-печатных структур».

Экспериментируя с различными количествами добавки CNF, команда под руководством Озбулута и Угура Кылыча, ныне выпускника докторантуры UVA, обнаружила, что добавление не менее 0,3% CNF значительно улучшает характеристики потока. Микроскопический анализ закаленных образцов выявил лучшую связь материалов и структурную целостность.

В ходе дальнейших испытаний в лаборатории Озбулута компоненты, изготовленные на 3D-принтере с применением CNF, также выдержали растяжение, изгиб и сжатие.