水泥摻纖維素 有望讓3D列印房屋成主流

越來越多的行業看好3D列印，甚至建築行業已經開始嘗試用水泥或其他材料去列印房子。但要想這麼做，就得克服水泥材料強度不夠、易坍塌等缺點。這次，美國維吉尼亞大學研究出一款能改進水泥缺點的材料，使列印出來的房子更堅固。

作為一種新的建築技術，3D混凝土列印（3DCP）為快速原型設計和客製化提供了新的可能性。首先，使用電腦輔助設計（CAD）軟體建立設計，然後將其轉換為列印機的一組指令（G程式碼），逐層分配混凝土。該技術可以精確、快速的列印複雜形狀，減少勞力和材料浪費。

不過目前可用於列印的材料選擇十分有限，且其可持續性和耐用性的問題仍然存在。於是，一些科學家將目光轉向地球上豐富的可再生有機聚合物「纖維素」類衍生材料。

美國維吉尼亞大學土木系的研究團隊，用植物中的纖維素提煉出纖維素奈米纖維（CNF）作為混合材料，並以適當比率混合到水泥中，以期未來用於3D列印建築上。近期該項研究結果發表在《水泥和混凝土複合材料》雜誌上。

他們選用的CNF材料主要源自於木漿，纖維擁有長且細小、分散均勻、表面積高和易生物降解的優點。使其與水泥混合，可以增強水泥的物理和化學性質，非常適合作為增強水泥的拉伸、彎曲、壓縮強度和耐久性的材料。

過程中，研究團隊先是準備波特蘭水泥、硫鋁酸鈣（CSA）、非晶硅灰（SF）和粉煤灰（FA）、細小的工業石英岩砂、膨脹劑（減少乾燥收縮而開裂的風險）、減水劑（提高砂漿混合物的可操作性和強度），做成水泥砂漿。然後，他們再加入不同含量的CNF添加劑（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），最終製成CNF混凝土。

研究人員使用流變儀對不同比率的CNF混凝土進行測試，以評估其變形和流動情況。3D水泥列印時，需要有一個適合的速度和壓力去擠出混凝土，才能有效避免在列印過程中或列印結束後出現問題。

另外，他們把含有不同比率的CNF混凝土列印成不同方向的成品，並進行28天固化試驗。之後對凝固後的物體進行拉伸、彎曲和壓縮強度測試，以確定CNF對水泥複合材料產生的影響。

結果得到，水泥中CNF濃度越高，其抗變形能力越強，但塑形黏度增高和流動性變差，使得3D混凝土列印機需要用更強驅動力才能列印。另外，水泥中的CNF濃度越高，其含水量和化學鍵（羥基）比率會增加，這確保混凝土在水化過程中有足夠的水分和固化性能。

他們還發現，混凝土在印刷過程中的CNF濃度含量在0%到0.1%之間時，列印層無法保持完整形狀；CNF濃度在0.2%可以成型但無法正常疊層（容易坍塌）；若CNF濃度在0.3%以上時，其形狀保持率為99%，在疊層中較不易變形，且擁有良好的塑形能力。

他們對CNF濃度在0.3%以上的混凝土進行機械測試。結果發現，CNF濃度從0.3%增加到0.4%時，拉伸和彎曲強度都有增加，但濃度在0.5%時，拉伸和彎曲強度都出現下降。不過，CNF濃度在0.3%時，其抗壓縮程度是三個濃度中表現最好的。

研究人員為了了解混凝土的內部原因，透過掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察這些不同比例CNF在水泥中的情況，得出CNF濃度在0.5%時，混凝土性能下降，這與它內部的奈米纖維團聚集、孔隙率增加、砂漿混合物操作性降低有關。

最終結論是，水泥中添加0.3%以上的CNF材料，即可以顯著改善混凝土列印的整體效果。

維吉尼亞大學土木系教授奧斯曼‧E‧奧茲布魯特（Osman E. Ozbulut）對該校的新聞室表示，「我們把奈米纖維混入3D水泥材料後，看到3D水泥的印刷性和機械測量方面得到改進。這表明奈米纖維材料混入商業印刷材料之中，有望為建築帶來更具彈性的實踐。」

奧茲布魯特教授還表示，過去CNF材料對傳統的3D列印複合材料產生的影響尚不清楚，「但這次我們透過大量試驗，更好的了解不同添加劑產生的效果，以提高3D打印結構的性能。」

未來實驗團隊會進一步測試CNF的性能，希望用於其他3D列印組件上，以達到增加拉力、彎曲性和抗壓性。