模仿自然的新型混凝土设计可将抗裂性提高63%

普林斯顿大学土木与环境工程系助理教授雷扎-莫伊尼（Reza Moini）领导的研究人员在 8 月 29 日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一篇文章中介绍了他们的设计如何将抗裂性提高了 63%。

研究人员的灵感来自双螺旋结构，这种结构构成了一种叫做腔棘鱼的古老鱼类的鳞片。莫伊尼说，自然界经常利用巧妙的结构来相互提高材料的性能，如强度和抗断裂性。

为了产生这些机械特性，研究人员提出了一种设计，将混凝土在三维空间中排列成单股。该设计使用机器人增材制造技术将每根钢绞线与相邻钢绞线进行弱连接。研究人员采用不同的设计方案，将许多钢绞线组合成更大的功能形状，如梁。这些设计方案依赖于稍微改变每个叠层的方向，从而在梁中形成双螺旋排列（两个正交层在高度上扭曲），这是提高材料抗裂纹扩展能力的关键。

论文将裂纹扩展的基本阻力称为"增韧机制"。莫伊尼说，期刊论文中详细介绍的这项技术依赖于多种机制的结合，这些机制可以阻止裂纹扩展，使断裂表面相互锁定，或者在裂纹形成后使其偏离直线路径。

这项研究的合作者、普林斯顿大学的研究生沙山克-古普塔（Shashank Gupta）说，在梁和柱等建筑构件中，有时需要使用机器人来制造具有必要的高几何保真度的建筑混凝土材料。这是因为，如果没有机器人制造的自动化和精确性，目前为结构应用创造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股添加材料来制造结构，它允许设计师探索传统铸造方法无法实现的复杂结构。在莫伊尼的实验室里，研究人员使用集成了先进的实时材料处理技术的大型工业机器人，这些机器人能够制造出尺寸完整且美观的结构部件。

作为工作的一部分，研究人员还开发了一种定制解决方案，以解决新拌混凝土在自重作用下容易变形的问题。当机器人浇筑混凝土形成结构时，上层混凝土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，研究人员旨在更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造过程中发生变形。

领导这项研究挤压工作的古普塔说，他们在实验室的机器人喷嘴上使用了先进的双组分挤压系统。这种专用机器人系统有两个入口：一个是混凝土入口，另一个是化学促进剂入口。这些材料在挤出前在喷嘴内混合，使加速器能够加快混凝土的固化过程，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用量，研究人员更好地控制了结构，并最大限度地减少了低层的变形。

编译自/ScitechDaily