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3D打印混凝土技術通過按需自動化的材料沉積方式可顯著節省勞動力和材料，有助于建筑行業的轉型升級。然而，要實現廣泛的市場應用，該技術仍面臨諸多挑戰，特別是打印層間粘結不足這一關鍵問題。粘結不足不僅會引發3D打印水泥基材料（3DPCM）的力學性能和耐久性各向異性問題，甚至可能縮短打印結構的使用壽命。層間粘結不足的主要原因有兩方面：一是由于材料屈服應力較高且分層沉積過程缺乏振動，導致層間混合不充分；二是層間水分和離子遷移對化學反應的影響。環境條件，尤其是溫度，是影響水泥基材料流變性和水化反應的關鍵因素。在沒有模板保護的情況下，溫度將顯著影響3DPCM層間界面的結構及其性能。

近日，同濟大學材料科學與工程學院的可持續混凝土研究團隊聚焦于3DPCM層間界面的溫度敏感性問題，展開了系統研究。團隊采用了壓汞法（MIP）、X射線計算機斷層掃描（CT）、納米壓痕（NI）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散光譜（EDS）等多種分析方法，深入揭示了材料擠出后環境溫度變化對3DPCM中孔隙結構、骨料分布及水化產物組成的影響機制，同時系統分析了溫度對層間粘結性能的影響。該研究成果有助于加深溫度對層間界面影響的理解，對于3DPCM養護工藝的改善及其在不同環境中的廣泛應用具有重要意義。

由于壁面效應，層間界面處骨料體積分數小于本體基質中的骨料體積分數。較高的環境溫度提高了水泥漿體的結構化速度和程度，減弱了骨料的沉降，提高了其分散均勻性，從而減少了界面處骨料體積分數的變化（圖1）。

圖 1 樣品中骨料體積分數隨掃描高度的變化以及3D重建樣品的兩個垂直相交切片：（a）H1P1-20，（4）H1P1-40（藍色表示骨料，黃色和綠色表示多孔結構，虛線用于區分不同的打印層）

環境溫度的提高增加了水化產物的生成速率，使得3D打印水泥基材料層間界面處的孔徑變細、孔體積變小。此外，孔隙的細化效應會進一步導致層間界面處與層本體之間的孔隙率差異的減小（圖2和圖3）。

圖 2 孔隙率隨掃描高度的變化以及孔隙結構的體積渲染圖：（a）H1P1-20，（b）H1P1-40（虛線用于區分不同的打印層）

圖 3 樣品層間界面區域的孔徑分布（MIP）：（a）累積孔體積，（b）dV/dlogD

由于3DPCM層間界面區孔隙率降低、高密度CSH含量增加，水化區的彈性模量隨溫度升高而增大。此外，在較高溫度下硬化的3DPCM層間界面處觀察到水化產物的原子比和彈性模量的分布更加集中，表明水化產物分布更加均勻（圖4和圖5）。

圖 4 界面微區彈性模量頻率分布（區間范圍為 2 GPa）：（a）1 d齡期的 H1P1-20，（b）7 d齡期的 H1P1-20，（c）1 d齡期的 H1P1-40，（d）7 d齡期的 H1P1-40

圖 5 不同溫度下硬化樣品的層間界面微區的化學成分：（a）Al/Ca和Si/Ca，（b）S/Ca與Al/Ca

環境溫度的提高將導致層間界面處骨料互鎖增強、孔隙率降低、高密度CSH含量提高，從而顯著提升層間粘結強度。在采取濕度控制措施的前提下，早期（< 7天）進行高溫養護似乎不會對3DPCM的長期層間粘結強度產生負面影響（圖6）。這一發現為優化3DPCM的養護工藝提供了重要參考。

圖 6 3D 打印水泥基材料的層間粘結強度隨齡期的演變（誤差棒對應標準誤差，n = 3）

本項研究成果受到國家自然科學聯合基金重點項目和中央高校基礎研究基金等資助支持。蔣正武教授可持續混凝土團隊多年來一直圍繞綠色低碳高性能混凝土可持續化理論與方法的研究主線開展前沿基礎研究與重大需求應用研究，近些年在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊發表SCI論文100余篇。

目前論文已經在線發表在Elsevier出版集團Cement and Concrete Composites雜志，歡迎大家通過以下鏈接下載瀏覽。

Y. Zhang, Y. Tao, J. R. A. Godinho, Q. Ren, Z. Jiang, K. Van Tittelboom, G. De Schutter, Layer interface characteristics and adhesion of 3D printed cement-based materials exposed to post-printing temperature disturbance, Cem. Concr. Compos. 155 (2025) 105837. 

https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105837

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