水下直接3D打印混凝土

魔猴君科技前沿 37天前

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在海洋中建造结构物从来都不是件容易的事。深度、压力和有限的能见度使得即使是常规的建造和维修工作也变得复杂而昂贵，尤其是对于隐藏在水下的基础设施而言。康奈尔大学的研究人员正在探索能否通过原位建造来克服这些限制。该团队并没有将传统的陆地建造方法应用于水下环境，而是开发了一种利用3D混凝土打印技术直接在水中制造结构物的方法。这种方法有望实现在任何需要的地方建造海上基础设施，而无需在陆地上进行预制或从水面进行部署。

如果成功，这种方法有望催生一种更安静、更具适应性的海洋施工模式，从而降低后勤复杂性并减少对环境的破坏。“我们希望在不干扰环境的前提下进行建设，”康奈尔大学土木与环境工程系助理教授兼项目负责人斯里拉米亚·奈尔(Sriramya Nair)表示，“如果能使用遥控水下航行器以最小的海洋扰动抵达施工现场，那么我们就能以更智能的方式进行建设，而无需继续沿用我们在陆地上采用的相同方法。”

这项由康奈尔大学牵头、于2024年启动的计划得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）的支持。DARPA设定了一个雄心勃勃的一年挑战目标：开发一种可在水下数米处浇筑的3D打印混凝土。2025年，该团队获得了140万美元的资助，但前提是必须满足一系列技术标准。他们正与其他五支队伍展开竞争。挑战赛将于明年三月举行，届时每支队伍都需要在水下3D打印一个混凝土拱门。

海洋沉积物作为原材料

DARPA提出了一项重要的限制条件：混凝土必须主要由海洋沉积物构成，仅需少量水泥。值得注意的是，海洋沉积物主要包括岩石、卵石和砾石、沙子和淤泥。使用当地材料可以减少大量水泥的运输需求。这显然在材料和工艺方面都带来了巨大的挑战。迄今为止，还没有人成功地利用海洋沉积物进行3D打印结构混凝土。“目前还没有人这样做，”奈尔先生说。“没有人使用海洋沉积物进行打印。这为我们重新构想混凝土的形态开辟了许多可能性。”

解决渗漏和水下能见度问题

另一个主要障碍是渗滤，即水泥颗粒在充分粘合前分散到水中，从而削弱打印结构的强度。化学添加剂可以帮助防止渗滤，但它们也会增加粘度，使材料更难泵送和挤出。“添加这些化学物质后，混合物会变得非常粘稠，无法泵送，”奈尔先生解释说。“你必须在泵送性和抗侵蚀性之间找到平衡，同时确保材料保持形状并在层间良好粘合。”

为了更好地平衡各方面因素，研究团队经常在康奈尔大学博韦土木基础设施实验室综合楼的大型注水水槽中进行打印测试。虽然这种受控环境能够对层位分布、强度和几何形状进行细致的检查，但在水下真实条件下，这种实际评估是无法实现的。