通过添加甘蔗渣灰来增强3D打印混凝土的层间粘结强度，该方法基于微观结构的致密化

《Structures》：Enhancing interlayer bond strength of 3D-printed concrete through microstructural densification by means of incorporating sugarcane bagasse ash

3D打印混凝土通过部分替代水泥使用甘蔗渣灰（SBA）有效强化了界面粘结强度和降低了孔隙率，经90天养护后，15% SBA混合料的拉伸强度提升10.0%，界面粘结强度增强31.4%，并形成更致密的孔隙网络和方解石结晶结构。

　　

作者：袁勇、赛义德·穆罕默德·穆达西尔·齐亚、泰穆尔·马扎尔·谢赫、穆罕默德·伊尔凡-乌尔-哈桑、姚旭鹏、朱洪波、张娇龙

上海同济大学土木工程学院，中国上海200092

摘要

3D打印混凝土（3DPC）是通过逐层堆积制造的，由此产生的层间区域通常具有较高的孔隙率和不连续性。这些层间界面作为机械薄弱环节，影响着打印材料的破坏起始和载荷传递，因此层间粘结强度成为其性能的主要限制因素。本研究探讨了一种可持续的方法，通过部分用甘蔗渣灰（SBA）替代水泥来增强层间粘结力并降低界面孔隙率。实验方案结合了拉伸试验和剥离试验，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和微计算机断层扫描（μ-CT）对微观结构进行了表征。制备了五组混合物，SBA的含量从0%逐步增加到20%，每次增加5%。含有15% SBA的混合物在养护90天后表现出最佳的整体性能，其抗拉强度和粘结强度分别提高了10.0%和31.4%。SEM观察显示界面微观结构得到改善；XRD分析表明SBA改性样品中的方解石形成增多。μ-CT结果显示，与对照组相比，15% SBA混合物的孔隙率降低了69%，且孔隙网络更加致密。这些发现表明，SBA是一种有效的部分水泥替代品，能够增强界面区域的致密性并提高层间粘结力，从而推动3D混凝土打印技术的可持续发展。

引言

随着城市化进程的加快，建筑行业对建筑物的需求不断增长，同时也面临诸多挑战。为应对这些挑战，建筑行业越来越多地采用增材制造技术[1]、[2]。其中，3D打印是一种具有巨大潜力的新兴建造方法，能够直接从3D模型数据精确制造出各种结构形式和复杂几何形状[3]、[4]。与传统建造方法相比，3D打印具有显著优势，包括降低建造成本和时间、减少材料浪费、提高生产效率以及增强设计灵活性[5]、[6]、[7]。与传统混凝土浇筑不同，3D打印混凝土（3DPC）是通过逐层挤出形成的，无需使用模板，从而提供了更高的设计灵活性和自动化程度[8]、[9]、[10]。 尽管3DPC具有诸多优势，但其层状堆积过程本身带来了一个关键的性能挑战：即形成薄弱且多孔的层间粘结区。这些界面区域的孔隙率通常较高，强度较低，导致打印构件的机械各向异性明显以及承载能力下降[9]、[10]、[11]。此外，界面区域存在大量空隙，由于应力集中会导致层间破坏并减少有效粘结面积[12]、[13]。因此，层间界面在3DPC结构中起着至关重要的作用，关于层间粘结强度的研究也在不断增加[11]、[14]、[15]。 现有研究主要集中在三种增强层间粘结力的策略上：（1）基于工艺的技术[16]、[17]、[18]；（2）基于表面的处理方法[19]、[20]、[21]；（3）基于材料的方法[22]、[23]。Weng等人[16]发现，通过增加超塑剂用量、提高泵送速度以及水养护可以增强基于挤出的3DPC的层间粘结强度，其中微观尺度上的减粘性是影响界面质量的最关键因素。Lucen等人[21]通过在打印过程中喷涂CO?激活的界面增强剂来改善3DPC的层间粘结力，认为这种改进归因于碳酸钙和硅胶的形成，它们使界面致密化并促进了机械互锁。在某些结构条件下，调整打印参数或表面处理受到设备限制，因此人们开始探索基于材料的策略来提升层间性能[24]。Kaur等人[22]评估了添加粉煤灰和石灰石-煅烧粘土作为粘结剂的3DPC的机械性能和耐久性，结果表明挤出致密化和粘结剂组成显著降低了孔隙率和收缩率，从而提高了强度和耐久性。 尽管已经广泛研究了辅助胶凝材料（SCMs）以提高3D打印混凝土的可持续性和可打印性，但现有研究主要集中在整体流变性能、水化行为和定向机械性能上，而非层间特定机制。Zhang等人[25]表明，将细磨的废弃物灰分加入3DPC中可以改善早期结构形成，促进C–S–H键的形成，并通过填料和火山灰效应共同作用降低机械各向异性。因此，关于替代火山灰材料以改善3DPC界面微观结构并增强层间粘结力的潜力尚未得到充分研究。特别是甘蔗渣灰（SBA）——这种来自糖工业的活性火山灰副产品——尚未被作为不依赖表面处理或粘合剂的材料方法来研究其增强层间粘结力的效果。本研究探讨了在3DPC中部分使用SBA替代水泥的效果，考察了其对层间粘结强度、界面孔隙率和养护后性能的影响，为SBA在增强3DPC层间完整性方面的有效性提供了新的证据。

本文结构如下：第2节描述了用于评估粘结强度和微观结构的实验方案和方法；第3节展示了实验结果，包括粘结强度、晶体相、界面形态和孔隙结构；第4节进行了深入讨论；第5节总结了本研究的主要结论。

材料

使用了比表面积为340 kg/mm2、比重为3.16的普通波特兰水泥（P.I. 42.5）。实验中使用了ISO标准砂。作为超塑剂使用了聚羧酸基超塑剂（PCA-I），作为粘度调节剂使用了羟乙基甲基纤维素（HEMC，粘度约为100,000 mPa·s）。原始SBA来自中国南宁的广西农村糖业公司，并在800–1000°C的联合发电锅炉中燃烧处理。

层内混凝土的抗拉强度

图3显示了含有SBA的混凝土在3天、7天、14天、28天和90天时的抗拉强度变化情况。随着SBA含量的增加，抗拉强度显著提高，尤其是在M-15混合物中表现最为明显，表明适量的SBA替代可以有效增强基体的凝聚力。28天时，M-15混合物的抗拉强度达到4.91 MPa，比CM组提高了7.1%。 抗拉强度持续增加。

层间粘结强度与层内抗拉强度的相关性

图9显示，所有混合物的浇筑试样的抗拉强度与打印试样的粘结强度之间存在强烈的线性相关性，决定系数（R2）超过0.86。这表明基体砂浆的固有抗拉性能在很大程度上决定了3D打印构件的界面粘结行为。随着养护龄期的增加和基体密度的提高，粘结强度也随之增强。

总结与结论

本研究探讨了SBA-3DPC的层间粘结强度，并通过μCT和SEM分析了孔隙结构和界面形态。此外，系统地研究了材料参数对层间性能的影响。基于这些分析，得出以下结论：

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  添加SBA显著提高了抗拉强度和层间粘结强度，其中15%的替代比例表现出最佳性能。经过90天的养护后，抗拉强度

CRediT作者贡献声明

袁勇：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。 赛义德·穆罕默德·穆达西尔·齐亚：撰写初稿、软件开发、方法设计、实验研究、概念构思。 泰穆尔·马扎尔·谢赫：软件开发、数据管理。 穆罕默德·伊尔凡-乌尔-哈桑：撰写、审稿与编辑。 姚旭鹏：项目监督、数据管理。 朱洪波：数据管理。 张娇龙：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢上海市科学技术委员会（项目编号23DZ1202906）、同济大学中德合作2.0培养计划以及巴基斯坦高等教育委员会（项目编号NRPU-16539）对本研究的财政支持。