水泥掺纤维素 有望让3D打印房屋成主流

越来越多的行业看好3D打印，甚至建筑行业已经开始尝试用水泥或其它材料去打印房子。但要想这么做，就得克服水泥材料强度不够、易坍塌等缺点。这次，美国维吉尼亚大学研究出一款能改进水泥缺点的材料，使打印出来的房子更坚固。

作为一种新的建筑技术，3D混凝土打列（3DCP）为快速原型设计和客制化提供了新的可能性。首先，使用电脑辅助设计（CAD）软体建立设计，然后将其转换为打印机的一组指令（G程式码），逐层分配混凝土。该技术可以精确、快速地打印复杂形状，减少劳力和材料浪费。

不过目前可用于打印的材料选择十分有限，且其可持续性和耐用性的问题仍然存在。于是，一些科学家将目光转向地球上丰富的可再生有机聚合物“纤维素”类衍生材料。

美国维吉尼亚大学土木系的研究团队，用植物中的纤维素提炼出纤维素奈米纤维（CNF）作为混合材料，并以适当比例混合到水泥中，以期未来用于3D打印建筑上。该项研究结果近期发表在《水泥和混凝土复合材料》杂志上。

他们选用的CNF材料主要源自于木浆，纤维拥有长且细小、分散均匀、表面积高和易生物降解的优点。使其与水泥混合，可以增强水泥的物理和化学性质，非常适合作为增强水泥的拉伸、弯曲、压缩强度和耐久性的材料。

过程中，研究团队先是准备波特兰水泥、硫铝酸钙（CSA）、非晶硅灰（SF）和粉煤灰（FA）、细小的工业石英岩砂、膨胀剂（减少干燥收缩而开裂的风险）、减水剂（提高砂浆混合物的可操作性和强度），做成水泥砂浆。然后，他们再加入不同含量的CNF添加剂（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），最终制成CNF混凝土。

研究人员使用流变仪对不同比例的CNF混凝土进行测试，以评估其变形和流动情况。3D水泥打印时，需要有一个适合的速度和压力去挤出混凝土，才能有效避免在打印过程中或打印结束后出现问题。

另外，他们把含有不同比例的CNF混凝土打印成不同方向的成品，并进行28天固化试验。之后对凝固后的物体进行拉伸、弯曲和压缩强度测试，以确定CNF对水泥复合材料产生的影响。

结果得到，水泥中CNF浓度越高，其抗变形能力越强，但塑形黏度增高和流动性变差，使得3D混凝土打印机需要用更强驱动力才能打印。另外，水泥中的CNF浓度越高，其含水量和化学键（羟基）比例会增加，这确保混凝土在水化过程中有足够的水分和固化性能。