Лазеры открывают путь к более эффективному использованию цемента

Sep 02, 2023

Адам Хадхази

5 июня 2023 г.

Инженеры Принстонского университета используют лазеры, чтобы точно оценить главный недостаток 3D-печатного цемента — устойчивость материала к разрушению. Исследователи надеются, что прогресс в этой области может привести к более широкому использованию аддитивного производства в конструкциях на основе цемента. Долгосрочная цель — разработать более качественные материалы с использованием аддитивных технологий, которые приведут к инновационным конструкциям и функциям.

Цемент является основным ингредиентом бетона, из которого состоит большая часть современного строительства, включая здания, дороги, взлетно-посадочные полосы, мосты и плотины. В последние годы, поскольку 3D-печать продемонстрировала преимущества в эффективности и универсальности, растет интерес к применению этой технологии в строительстве.

Но по сравнению с традиционным литым бетоном, варианты, напечатанные на 3D-принтере, могут быть подвержены растрескиванию, особенно в областях между разными слоями бетона. Исследователи связывают это с неоднородными микроструктурами, возникшими в результате процесса наслоения, используемого при 3D-печати. Исследователи из Принстона использовали новый тест, чтобы лучше понять процесс растрескивания на микроскопическом уровне. Их результаты показывают, что при правильном определении характеристик разрушения бетон, напечатанный на 3D-принтере, может быть таким же или даже более прочным, чем литой бетон.

В исследовании, опубликованном в журнале Cement and Concrete Composites, исследователи из Принстона демонстрируют новый метод тестирования, который использует лазеры для вырезания точно расположенных канавок в цементе, напечатанном на 3D-принтере. Контролируя мощность и скорость лазера, исследователи могут контролировать такие важные характеристики, как глубина и форма канавок. Этот контроль позволяет проводить гораздо более точные испытания, чем традиционные методы.

«Теперь мы можем получить более глубокое понимание свойств разрушения материалов на основе цемента, напечатанных на 3D-принтере, при различных режимах разрушения, что важно для дальнейшего расширения масштабов этой технологии», — сказал Реза Мойни, доцент кафедры гражданского строительства. и экологическая инженерия в Принстоне и старший автор исследования. «Появились новые возможности для изготовления более прочных и прочных материалов за счет использования архитектуры материалов и свободы изготовления, обеспечиваемой аддитивными технологиями».

Другими авторами исследования в Принстоне, членами лаборатории Мойни, являются Шашанк Гупта и Арджун Прихар, оба доктора философии. студенты и Хади Эсмаили, бывший научный сотрудник.

В отличие от литого бетона, который заливается в форму и затвердевает, в бетоне, напечатанном на 3D-принтере, используется сопло, которое выдавливает цементное тесто по одной нити за раз. Сопло движется вперед и назад, наращивая бетонную прядь за прядью и, в конечном итоге, слой за слоем.

Одна из проблем заключается в том, что во время экструзии вокруг каждой печатной нити образуется тонкая, богатая водой пленка, облегчающая растекание. Эти богатые водой пленки могут привести к значительным внутренним дефектам и неоднородностям между нитями напечатанного на 3D-принтере материала, что способствует структурной слабости.

Исследователи из Принстона более подробно изучили эти интерфейсы, чтобы понять их связь со свойствами разрушения. Исследовательская группа первоначально изготовила и отверждала образцы для тестирования с помощью специального 3D-принтера, который экструдировал цементную пасту. Традиционное тестирование обычно включает в себя вырезание в материале надрезов, часто с помощью циркулярных пил. Однако при изучении микроструктуры эти пилы могут действовать как тупые инструменты, что часто приводит к неострым зазубринам. Это может затруднить тестирование и сделать его неточным.

Вместо использования физического инструмента, такого как пила, для вырезания надрезов Мойни и его коллеги решили использовать лабораторный лазер. Их подход сокращает контрольные надрезы именно там, где это необходимо, например, на границе между печатными слоями.

«Преимущество этого теста хрупких материалов, напечатанных на 3D-принтере, заключается в том, что, используя ту же геометрию образца, можно определить устойчивость к растрескиванию при растяжении, сдвиге или любой их комбинации», — сказал Мойни.

Шашанк Гупта, первый автор статьи, подчеркнул, что «этот подход может помочь определить свойства материала, поскольку исследователи работают с промышленностью над масштабированием процессов аддитивного производства бетона для структурных и неструктурных применений».