双螺旋设计增强混凝土抗裂性

Josiah02

普林斯顿工程学院的研究人员从大自然中汲取灵感，通过将建筑设计与增材制造工艺和能够精确控制材料沉积的工业机器人相结合，提高了混凝土部件的抗裂性。
在 8 月 29 日发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，普林斯顿大学土木与环境工程助理教授 Reza Moini 领导的研究人员描述了他们的设计如何将抗裂性提高到传统浇铸混凝土的 63%。这篇论文的标题是“通过机器人增材制造实现的坚固双配位体结构混凝土”。
研究人员的灵感来自于一种名为腔棘鱼的古代鱼类的鳞片的双螺旋结构。莫伊尼说，大自然经常利用巧妙的结构来相互提高材料的性能，例如强度和抗断裂性。
为了实现这些机械性能，研究人员提出了一种设计，将混凝土排列成三维的单股线。该设计使用机器人增材制造将每股线与相邻线弱连接。研究人员使用不同的设计方案将多股线组合成更大的功能形状，例如梁。
该设计方案依靠稍微改变每个堆栈的方向来在梁中创建双螺旋排列（两个正交层在高度上扭曲），这是提高材料抵抗裂纹扩展能力的关键。
论文将裂纹扩展的潜在阻力称为“增韧机制”。该技术在期刊文章中进行了详细介绍，它依赖于多种机制的组合，这些机制可以阻止裂纹扩展，或将断裂表面互锁，或使裂纹在形成后偏离直线路径，莫伊尼说。
普林斯顿大学研究生、该研究的合著者 Shashank Gupta 表示，有时需要使用机器人来制造具有高几何保真度的建筑混凝土材料，用于建筑构件（例如梁和柱）。这是因为，如果没有机器人制造的自动化和精确度，目前为结构应用创建有目的的材料内部排列是非常具有挑战性的。
增材制造是指机器人逐条添加材料以创建结构，它使设计师能够探索传统铸造方法无法实现的复杂结构。在 Moini 的实验室中，研究人员使用大型工业机器人，结合先进的实时材料处理技术，能够创建美观的全尺寸结构部件。
作为这项工作的一部分，研究人员还开发了一种定制解决方案，以解决新鲜混凝土在自身重量下容易变形的问题。当机器人浇注混凝土形成结构时，上层的重量会导致下层混凝土变形，从而影响最终建筑结构的几何精度。
为了解决这个问题，研究人员的目标是更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造过程中变形。领导这项研究的挤压工作的古普塔说，他们在实验室的机器人喷嘴上采用了一种先进的双组分挤压系统。
专用机器人系统有两个入口：一个入口用于混凝土，另一个入口用于化学加速器。这些材料在挤压前在喷嘴内混合，使加速器能够加速混凝土固化过程，同时确保对结构的精确控制并最大限度地减少变形。
通过精确校准加速器的量，研究人员更好地控制了结构，并最大限度地减少了较低层的变形。