مهندسان از خمیر چوب برای چاپ سه‌بعدی بتن قوی‌تر برای ساخت و ساز استفاده می‌کنند
فناوری چاپ سه‌بعدی به سرعت در حال تکامل است و در کاربردهای مختلفی از ساخت بافت‌های بیولوژیکی تا توسعه سرامیک‌های قابل حذف آلاینده‌های مقاوم از آب نویدبخش بوده است.
فناوری بتن یکی از صنایعی است که ممکن است به طور قابل توجهی از چاپ سه‌بعدی بهره‌مند شود.
تولید بتن باعث انتشار کربن زیادی در جهان می‌شود و حدود 8 درصد از کل انتشار را به خود اختصاص می‌دهد. این رقم نشان دهنده نیاز فوری به جایگزین‌های پایدار و بهبود در صنعت بتن است.
ساختمان‌های بتنی چاپ سه‌بعدی نوید ساخت و ساز سریع و دوستدار محیط زیست را می‌دهند. اما توسعه موادی که هم قابل چاپ و هم بسیار قوی باشند، چالش بزرگی است.
پژوهشگران دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا یک راه‌حل جدید را ارائه داده‌اند: نانوفیبرهای سلولزی (CNF)، یک ماده شگفت‌انگیز گیاهی.
آنها در حال بررسی این هستند که چگونه CNF می‌تواند به طور بالقوه بتن چاپ سه‌بعدی را متحول کند. این الیاف گیاهی به عنوان افزودنی برای بهبود جریان‌پذیری و استحکام مواد کامپوزیتی امیدوارکننده نشان داده شده‌اند.
دکتر عثمان ای. اوزبولوت، استاد بخش مهندسی عمران و محیط زیست، گفت: «بهبودهایی که در قابلیت چاپ و اندازه‌گیری‌های مکانیکی مشاهده کردیم نشان می‌دهد که افزودن نانوفیبرهای سلولزی به مواد تجاری قابل چاپ می‌تواند به زودی به ساخت و سازهای مقاوم‌تر و دوستدار محیط زیست منجر شود.»
نانوفیبرهای سلولزی مشتق شده از خمیر چوب
در ساخت ساختمان، چاپگرهای مخصوص سازه‌ها را لایه به لایه با استفاده از مواد سیمانی و طراحی‌های کمکی توسط کامپیوتر می‌سازند. با این حال، دامنه مواد قابل چاپ محدود است و عملکرد طولانی‌مدت و تأثیرات زیست محیطی آنها نامشخص باقی می‌ماند.
اوزبولوت گفت: «ما با اهداف متناقضی روبرو هستیم. مخلوط باید به خوبی جریان پیدا کند تا ساخت به‌سخت انجام شود، اما باید به یک ماده پایدار با ویژگی‌های بحرانی مانند استحکام مکانیکی بالا، چسبندگی بین‌لایه‌ای خوب و هدایت حرارتی پایین تبدیل شود.»
نانوفیبرهای سلولزی از خمیر چوب استخراج می‌شوند، که آنها را قابل تجدید و پایدار می‌سازد. هنگام استفاده در بتن، جریان‌پذیری را افزایش می‌دهند و امکان چاپ صاف‌تر را فراهم می‌کنند. اما این همه موضوع نیست. نانوفیبرهای سلولزی همچنین استحکام و دوام بتن را افزایش می‌دهند و در نتیجه ساختمان‌هایی را که می‌توانند با گذر زمان مقاومت کنند، ایجاد می‌کنند.
نشان‌دهنده وعده در آزمایش‌ها
آزمایش‌های دقیق نشان داده‌اند که بتن حاوی نانوفیبرهای سلولزی تحت فشار بسیار خوب عمل می‌کند و این ماده را به عنوان یک ماده با پتانسیل برای ساخت سازه‌های مقاوم معرفی کرده‌اند.
اوزبولوت و تیمش با مقادیر مختلف نانوفیبرهای سلولزی آزمایش‌هایی انجام دادند. آنها کشف کردند که حداقل 0.3٪ نانوفیبرهای سلولزی به طور قابل توجهی جریان‌پذیری سیمان چاپ سه‌بعدی را بهبود می‌بخشد. یک مخلوط بتن که به خوبی جریان دارد، به خروج حباب‌های هوا از بتن کمک می‌کند و از تشکیل حفره‌هایی که ساختار را ضعیف می‌کند، جلوگیری می‌کند.
جالب است که بررسی‌های میکروسکوپی نمونه‌های سخت شده نشان دهنده بهبود چسبندگی و کلیت ساختاری بودند.
تجزیه و تحلیل بیشتر انجام شده توسط تیم اوزبولوت نشان داد که اجزای چاپ سه‌بعدی تقویت شده با نانوفیبر سلولزی در بارهای کششی، خمشی و فشاری استحکام فوق‌العاده‌ای نشان دادند.
اوزبولوت در بیانیه مطبوعاتی افزود: «امروزه، طراحی مخلوط‌ها با سعی و خطای زیادی همراه است. ما نیاز به علم بهتر برای درک تأثیرات افزودنی‌های مختلف برای بهبود عملکرد سازه‌های چاپ سه‌بعدی را داریم.»
ساختمان‌های بتنی چاپ سه‌بعدی یک توسعه امیدوارکننده در زمینه مسکن هستند. این سازه‌ها چندین مزیت از جمله زمان ساخت کوتاه‌تر، امکان استفاده از مواد بازیافتی، نیازهای کارگر کمتر و حداقل تولید زباله را ارائه می‌دهند.
علاوه بر این، این تکنیک می‌تواند امکان خلق طراحی‌های پیچیده‌ای را فراهم کند که اغلب با استفاده از روش‌های استاندارد ساخت دشوار است.
یافته‌های این تحقیق در شماره سپتامبر 2024 مجله Cement and Concrete Composites. به تفصیل آمده است.
