2025年12月1日，來自俄勒岡州立大學(xué)（OSU）研究人員稱，開發(fā)出一種快速固化、環(huán)保的混凝土替代品，他們希望這種材料有朝一日能用于快速3D打印房屋和基礎(chǔ)設(shè)施。這種新方法在快速、按需制造可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施方面展現(xiàn)出巨大的潛力。

△3D打印聚合物基混凝土結(jié)構(gòu)

這項研究以題為“3D printing of sustainableinfrastructure using rapid-set clay concrete with biobased additives”的論文發(fā)表在《先進復(fù)合材料和混合材料》雜志上，由俄勒岡州立大學(xué)的德文·羅奇（Devin Roach）、尼古拉斯·貢薩爾維斯（Nicolas Gonsalves）等人聯(lián)合撰寫。項目得到了美國農(nóng)業(yè)部、俄勒岡州立大學(xué)全球大麻創(chuàng)新中心和工程學(xué)院的支持。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1

人口的指數(shù)級增長導(dǎo)致了全球住房危機。為了解決這一問題，建筑3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于按需基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。雖然3D打印具有更快的構(gòu)建速度和更大的設(shè)計靈活性，但它也受到混凝土凝固速度慢、安裝支撐結(jié)構(gòu)需要中斷施工以及水泥對環(huán)境造成巨大影響（約占全球二氧化碳排放量的8%）等因素的限制。

本研究提出了一種可3D打印的粘土基建筑材料，結(jié)構(gòu)性能可與混凝土媲美，且打印后即可立即固化。這種新型粘土基材料其中的丙烯酰胺基粘合劑會發(fā)生一種稱為正面聚合的化學(xué)反應(yīng)，因此在從打印機擠出的過程中即可固化。傳統(tǒng)的3D打印混凝土通常含有30%至60%的水泥粘合劑，而新型粘土基材料則含有70%至80%（重量百分比）的生物基材料，且可現(xiàn)場制備。這種材料甚至可以打印在無支撐的縫隙上，例如門窗開口的頂部邊緣。

△利用正面聚合的3D打印聚合物基混凝土方法。a)擠出成型時正面聚合聚合物基混凝土的示意圖（上、中）和圖像（下），下圖顯示了本研究中使用的混合物，比例尺為10 mm。b)構(gòu)成快速凝固聚合物基混凝土的組分。c)用于正面聚合的聚合物粘合劑的化學(xué)配方。d)固化生物混凝土的抗壓強度測試結(jié)果表明，抗壓強度遠(yuǎn)高于住宅基礎(chǔ)設(shè)施所需的17 MPa。e)固化時間測試表明，生物混凝土在聚合后立即達到瞬時強度，聚合時強度為3 MPa，3天后超過17 MPa。結(jié)果與未固化混凝土（紅點）的強度（接近0 MPa）進行比較。

俄亥俄州立大學(xué)工程學(xué)院機械工程助理教授羅奇表示：“這種打印材料在打印后即可達到3兆帕的強度，可用于建造多層墻體和獨立式懸挑結(jié)構(gòu)，例如屋頂。它僅需三天即可超過17兆帕的強度，達到住宅結(jié)構(gòu)混凝土所需的強度，而傳統(tǒng)水泥基混凝土則需要長達28天的時間?！?/span>

這種新型材料主要由土壤、麻纖維、沙子和生物炭（一種富含碳的物質(zhì)，由木屑和其他有機生物質(zhì)在低氧條件下加熱制成）組成，因此環(huán)境足跡遠(yuǎn)小于混凝土。混凝土的粘合劑水泥是在工業(yè)窯爐中通過釋放碳的反應(yīng)制成的，這些窯爐的加熱溫度通常超過1400攝氏度，而這些反應(yīng)通常需要燃燒化石燃料產(chǎn)生的能量。

羅奇說：“我為我們這支創(chuàng)新型的跨學(xué)科團隊感到無比自豪，他們研發(fā)出了一種能夠從多方面改善人們生活的材料。尤其是在破壞性自然災(zāi)害頻發(fā)的今天，我們需要能夠迅速搭建住所和其他建筑物——而這種材料不僅易于獲取，而且排放量相對較低，因此我們可以做到這一點?！?/span>

羅奇說：“目前，我們的材料成本高于標(biāo)準(zhǔn)水泥基混凝土，因此我們需要降低價格。此外，在使用前，我們還需要遵循美國材料與試驗協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)測試，并準(zhǔn)備一份報告，供專業(yè)工程師審核和批準(zhǔn)，以便將其應(yīng)用于建設(shè)項目中。”

編譯整理：南極熊