不同超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强水泥基复合材料的3D打印性能及其与流变学特性的关系

《Next Materials》：3D printing performance of strain-hardening cementitious composites with different UHMWPE fibers in correlation with rheology

3D打印用应变硬化水泥基复合材料中亲水/亲水改性UHMWPE纤维的流变特性与力学性能研究。通过表面改性将UHMWPE纤维亲水性提升，探究水灰比与纳米黏土掺量对材料流变性和3D打印性能的影响，发现亲水纤维可提高抗拉强度47.83%和12.68%，但降低延性50.60%，而亲水纤维配合纳米黏土优化了触变性指数，平衡了打印成型性与力学性能。

　　在建筑领域，随着技术的不断进步，3D混凝土打印（3D concrete printing，简称3DCP）正逐渐成为一种新兴的建造方式。这种技术以其高效、低成本和高度的定制化能力而受到广泛关注，尤其在需要复杂几何形状和减少建筑废料的项目中。然而，3DCP过程中仍面临诸多挑战，其中之一便是纤维在材料中的分布问题。特别是在应变硬化水泥基复合材料（Strain-Hardening Cementitious Composites，简称SHCC）中，纤维的堵塞现象限制了其在3DCP中的进一步应用。因此，研究SHCC的流变特性对于提升其在3DCP中的性能具有重要意义。

SHCC以其优异的延展性和多裂纹特性而著称，这些特性使其在承受拉伸载荷时表现出较高的韧性。然而，在3DCP过程中，纤维的堵塞问题可能会导致材料流动性下降，从而影响打印质量。为了解决这一问题，研究人员尝试通过改变纤维的表面特性，使其在SHCC中更容易分散。例如，采用亲水性增强的策略，可以改善纤维与水泥基体之间的相互作用，从而提高其在打印过程中的性能。本文通过实验研究了不同水灰比和纳米粘土添加量对SHCC流变性能的影响，并探讨了亲水性与疏水性纤维在3DCP中的表现差异。

研究发现，纤维的表面特性对SHCC的流变行为有显著影响。疏水性纤维（P-fibers）由于其表面光滑、低表面能和缺乏极性基团，难以在水泥基体中均匀分散。相比之下，经过化学处理的亲水性纤维（I-fibers）表现出更好的分散性，这可能与其表面的极性基团和更强的氢键作用有关。通过表面分析技术，如水接触角测试、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX），研究人员验证了纤维表面化学性质的变化及其对分散性的改善。亲水性纤维的水接触角显著降低，表明其与水的亲和力增强，这有助于其在水泥浆体中的均匀分布。

在流变测试中，研究采用了恒定剪切速率的方法，以监测不同SHCC组成在打印过程中的可挤出性和可构建性。通过分析静态屈服应力和动态屈服应力，研究人员发现亲水性纤维在低动态屈服应力下更容易挤出，而疏水性纤维则表现出较高的静态屈服应力，有助于维持打印结构的完整性。这一发现表明，流变性能在一定程度上可以解释SHCC在3DCP中的行为特征。例如，较高的静态屈服应力有助于在打印过程中保持材料的结构稳定性，而较低的动态屈服应力则有助于材料的流动和挤出。

此外，研究还探讨了水灰比和纳米粘土添加量对SHCC流变性能的影响。实验结果表明，增加纳米粘土的含量可以显著提高SHCC的静态屈服应力，这可能是由于纳米粘土增强了水泥浆体的微观结构连接。而水灰比的增加则会导致静态屈服应力的降低，因为更多的水分可能削弱了材料的微观结构，使其更容易流动。在动态屈服应力方面，纳米粘土对疏水性纤维的影响较小，但在亲水性纤维中，其作用更为显著。这表明，纳米粘土在改善SHCC的流变性能方面具有重要作用，尤其是在增强亲水性纤维的分散性和结构稳定性方面。

在机械性能测试中，研究人员通过单轴拉伸试验评估了不同纤维增强SHCC的性能。结果表明，亲水性纤维能够显著提高SHCC的初始裂纹强度和极限抗拉强度，分别提升了47.83%和12.68%。然而，亲水性纤维的延展性却有所下降，最大可达50.60%。这种现象可能是由于亲水性纤维与水泥基体之间的更强的界面结合，导致在拉伸过程中纤维更容易从基体中拔出，从而减少了延展性。而疏水性纤维则表现出较好的延展性，但其初始裂纹强度和极限抗拉强度相对较低。因此，纤维的类型和表面特性对SHCC的机械性能有重要影响。

研究还指出，纳米粘土的添加不仅有助于改善SHCC的流变性能，还能够增强其机械性能。纳米粘土通过多种机制，如吸水作用、水化反应中的火山灰活性以及填充效应，增强了水泥浆体的微观结构连接，从而提高了其整体性能。然而，纳米粘土对疏水性纤维的影响较为有限，可能与其与水泥浆体的相互作用较弱有关。因此，纳米粘土在提升亲水性纤维SHCC的性能方面具有更大的潜力。

通过实验和理论分析，研究提出了未来在3DCP中进一步优化纳米粘土和水灰比的建议。通过调整这些参数，可以实现更优的流变性能，从而在保证材料强度的同时提高其延展性。此外，研究还强调了纤维表面特性的调控在3DCP中的重要性，认为通过改变纤维的亲水性，可以进一步改善其在打印过程中的流动性和分散性，从而提升整体打印质量。

总的来说，本文的研究为SHCC在3DCP中的应用提供了重要的理论依据和实验数据。通过表面处理和流变分析，研究人员揭示了纤维类型对SHCC性能的影响，并提出了优化纤维分散性和流变特性的方法。这些发现不仅有助于提升3DCP的效率和质量，还为未来在3D打印混凝土材料领域的研究提供了新的方向和思路。