《Journal of Building Engineering》：Enhancing the Long-Term Water Immersion Stability of Ultra-Low Water-Cement Ratio Cement-based Materials: Controlling the Rehydration Stage with Superabsorbent Polymers
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为解决3D打印混凝土（3DPC）因逐层制造导致的层间与丝间粘结强度不足这一核心问题，本研究开展了通过设计矩形互锁喷嘴和Z形打印轨迹来增强机械互锁的研究。结果显示，矩形互锁结构在0度加载角下使层间间接拉伸强度提升48.35%，Z形互锁结构使水平丝间粘结强度提升60.26%。研究意义在于，该方法无需层间钢筋，即可显著改善3DPC的力学性能与各向异性行为，为强化3D打印结构提供了新思路。
想象一下，未来建筑工地上机器人“吐丝”建房，高效又自由。这正是三维打印混凝土（3D Printed Concrete, 3DPC）技术描绘的蓝图。然而，这种逐层堆叠的建造方式有一个“阿喀琉斯之踵”：每一层新鲜混凝土与已凝固的下层之间的粘结界面，以及同一层内相邻打印丝之间的连接，往往非常薄弱。这导致打印出的结构在承受拉伸或剪切荷载时，容易从这些“接缝”处开裂，极大地限制了3DPC在承重结构中的应用潜力。如何“缝合”这些内部伤口，增强其“筋骨”连接，成为推动3DPC走向实际工程应用必须攻克的关键难题。
针对这一挑战，来自阿德莱德大学的研究团队在《Journal of Building Engineering》上发表了一项创新研究。他们独辟蹊径，不从传统的添加化学粘结剂或嵌入钢筋入手，而是回归“榫卯”这一古老的智慧，探索通过纯粹的物理形状设计——即机械互锁，来强化3DPC的层间与丝间连接。他们提出了两种巧妙的策略：对于垂直堆叠的层，设计带有矩形凹槽的特制喷嘴，打印出能够互相咬合的“榫头”和“卯眼”；对于同一水平层内的打印丝，则通过规划复杂的Z字形打印路径，让相邻的丝线像拉链一样交错锁定。
为了精确评估这些“榫卯”结构的效果，研究人员采用了巴西盘间接拉伸测试作为核心实验方法。这种方法通过对圆盘试件施加径向压缩来间接诱导内部的拉伸应力，特别适合评估界面强度。为了捕捉脆性材料开裂的完整过程，尤其是峰后行为，他们结合了多种先进监测技术：采用先进通用回弹间接拉伸测试（Advanced Universal Snap-Back Indirect Tensile testing, AUSBIT）方法进行横向位移控制，以稳定断裂过程；利用数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术全场监测应变演化与裂纹扩展；同时，布设声发射（Acoustic Emission, AE）传感器“倾听”材料内部的微破裂信号。
本研究主要应用了以下关键技术方法：1. 定制化喷嘴设计与验证：使用PETG材料3D打印出矩形互锁喷嘴和圆形对照喷嘴，并先用橡皮泥进行挤出模拟验证可行性。2. 混凝土配合比设计与打印：基于优化配方，采用普通硅酸盐水泥、细砂、水和高效减水剂制备打印材料，使用WASP 3MT混凝土打印机进行构件打印，并对打印参数（如打印速度、挤出速率）进行精确控制。3. 试件后处理：打印后的梁和块体经养护后，通过水射流切割成指定直径的巴西盘试件。4. 多技术联用力学测试：在MTS试验机上进行巴西盘测试，集成AUSBIT控制、DIC应变场测量和AE信号采集，同步记录荷载-位移曲线、应变云图及声发射数据，以全面分析破坏机理。
研究结果
3.1. 荷载-位移曲线
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垂直互锁效果：在0度加载角（荷载平行于层界面）下，矩形互锁试件的平均峰值荷载（约16 kN）显著高于对照试件（约11 kN）。而在90度加载角（荷载垂直于层界面）下，互锁与对照试件的峰值荷载接近（约23 kN vs 22 kN），表明互锁主要增强了层界面的抗拉能力，对材料本身的拉伸强度影响不大。
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水平互锁效果：采用Z形打印路径的试件，其平均峰值荷载（约13 kN）比直线路径的对照试件（约8 kN）有大幅提升。
3.2. 基于数字图像相关的裂纹模式分析
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DIC应变云图清晰显示，无论是矩形互锁还是Z形互锁，都成功改变了裂纹的扩展路径。对照试件的裂纹笔直地沿薄弱界面延伸，而互锁试件的裂纹则被迫沿着复杂的互锁轮廓发展，产生了更粗糙的断裂面和更大的摩擦接触面积。
3.3. 间接拉伸强度
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数据统计表明，矩形互锁使层间间接拉伸强度从2.42 MPa提升至3.59 MPa，增幅达48.35%，且统计学上显著（p值=0.0007）。Z形互锁使水平丝间粘结强度从1.56 MPa提升至2.50 MPa，增幅高达60.26%（p值=0.0026）。在90度加载角下，强度仅有11.34%的不显著提升，印证了互锁机制针对界面弱点的特异性。
4.1. 断裂面与裂纹形成对比
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宏观断面观察证实，互锁试件呈现粗糙不平的断裂形貌，表明破坏同时发生在界面（粘附破坏）和打印丝内部（内聚破坏），而对照试件则是光滑的界面分离。Z形试件的断裂面严格沿Z字形轨迹发展，证明了打印路径对裂纹的引导作用。
4.2. 各向异性评估
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引入各向异性参数α（α = (最高强度 - 最低强度) / 最高强度）进行量化。结果表明，矩形互锁将各向异性参数从对照试件的0.46降至0.28，说明互锁设计有效减小了材料性能在不同方向上的差异，使3DPC的行为更接近各向同性。
4.3. 峰后行为分析
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通过AUSBIT技术，成功捕获了试件峰后的“回弹”行为。分析显示，Z形互锁试件在峰值荷载后表现出更平缓的荷载下降和更多的能量耗散（0.2 kN·mm），而对照试件则呈现剧烈的脆性断裂和极少的能量耗散（0.05 kN·mm）。
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DIC和AE数据同步揭示了这一过程：互锁结构通过改变裂纹路径和增加摩擦，延缓了裂纹的失稳扩展，使得破坏过程更可控，材料表现出更好的断裂韧性。
结论与讨论
本研究证实，通过喷嘴几何形状设计和打印路径规划实现的机械互锁，是增强3DPC层间与丝间粘结强度的有效途径。矩形互锁和Z形互锁分别带来了48.35%和60.26%的显著强度提升，并且通过增加断裂面和引发摩擦，有效改善了材料的各向异性行为和断裂韧性。
其重要意义在于：首先，该方法无需依赖昂贵的化学粘结剂或复杂的层间钢筋植入，仅通过优化打印过程本身即可实现性能增强，具有成本效益高、工艺简洁的优势，更符合3D打印自动化、一体化的初衷。其次，研究建立了一套结合AUSBIT、DIC和AE的先进评估方法，不仅能获取强度值，更能深入揭示互锁机制下的裂纹萌生、扩展乃至峰后失稳的全过程，为理解和优化3DPC的力学行为提供了强有力的分析工具。最后，该研究为设计和建造力学性能更优、更可靠的3D打印混凝土结构提供了直接的实验依据和新的设计思路，特别是在对抗拉伸和剪切力至关重要的墙体、护面板等结构中具有广阔的应用前景。
当然，研究也存在一些局限，例如未考察流变性对互锁成型质量的影响、未进行大规模结构验证等。未来研究可在此基础之上，进一步探索打印参数优化、与钢筋的协同组合以及长期耐久性评价，以推动这项技术从实验室走向真正的建筑工地。
