基于挤出的3D混凝土打印（3DCP）是一种创新、可持续且智能的技术，具有颠覆行业的潜力[1]，[2]。与浇筑方法相比，3DCP消除了对模板的需求，减少了劳动力需求和材料浪费，并能够制造出复杂和定制的几何形状[3]，[4]。然而，逐层沉积过程不可避免地会引入弱界面，这些界面被认为是实际应用中的关键瓶颈[4]，[5]。这些弱界面会损害3D打印构件的结构完整性，从而对其机械性能和长期耐久性产生不利影响[6]。层间粘结性受材料流变性和打印参数之间复杂相互作用的影响[7]，这也引起了人们对3DCP中材料流动、层堆叠和施工性数值研究的关注[8]，[9]。例如，高粘度材料或快速结构堆积的材料通常具有较好的施工性，但往往缺乏足够的重新流动以确保与新沉积层的充分粘结，导致粘结强度降低[10]。相反，较长的打印间隔可以使沉积的丝材发展出足够的刚度，从而提高结构稳定性[11]，[12]。然而，这也可能导致水分损失和表面干燥，严重损害层间粘结性[13]。因此，施工性和层间粘结性之间的矛盾要求仍然是3DCP中的一个基本挑战。
不连续纤维是现代3D打印水泥材料中不可或缺的成分之一[14]，[15]。一般来说，纤维的加入可以提高打印结构的施工性和硬化状态的性能[16]，[17]。在新鲜状态下，纤维作为骨架增加了颗粒间的摩擦力并提供内部约束，提高了绿色强度和抗变形能力[18]，[19]。硬化后，纤维可以桥接裂缝，传递拉应力，并耗散断裂能量，从而提高打印组件的压缩、拉伸和弯曲性能[20]，[21]。然而，纤维对层间粘结性的贡献仍然有限，甚至可能有害，因为纤维会增加层间区域的孔隙率，从而削弱界面粘附[22]，[23]。此外，喷嘴中的剪切流和沉积过程中的丝材扁平化会导致纤维沿打印方向优先排列[24]，[25]，[26]，使纤维局限于单个丝材内，阻止它们桥接相邻层[27]。因此，仅依靠添加纤维不足以解决打印结构中界面的内在弱点。
为了解决这一限制，人们探索了外部增强策略[28]，[29]，[30]，[31]。化学方法，如使用界面粘结剂[29]，[32]，已经显示出显著的效果。例如，Weng等人[29]报告称，引入水泥浆、水泥增强剂或聚合物溶液可以使相对粘结强度分别增加110%、133%和139%。同样，使用一种新型的硫黑碳聚合物也实现了200%的增强[32]。物理策略，包括在层间插入钢纤维或钢筋[30]，[33]，也被提出。通过优化增强布局，层间剪切强度和拉伸强度分别可以提高约256.3%和353.6%[30]。然而，这些方法通常需要额外的材料或手动步骤。在这种情况下，利用外部物理场的非接触策略提供了一个有前景的替代方案。例如，研究发现微波加热通过加速聚合反应和增强机械互锁作用，使打印地质聚合物混凝土的层间粘结强度提高了132%[31]。
磁方法作为非接触刺激手段，用于调整混凝土性能，越来越受到关注[34]。在新鲜状态下，磁场已被证明可以有效调节含有磁性成分（特别是纳米和微米级磁性颗粒）的水泥材料的流变性[35]，[36]。在外加磁场的作用下，结构堆积[36]、屈服应力[37]和表观粘度[38]显著增加，这归因于颗粒簇和/或链状结构的形成[39]。这种流变性的提高对于提高3D打印混凝土的施工性非常有益[40]，[41]。基于这一概念，Kanagasuntharam等人[42]研究了在时变磁场下加入羰基铁粉（CIP）的混凝土的施工性。结果表明，只有在持续的磁场作用下才能实现屈服应力和施工性的显著提高。然而，在实际打印条件下施加持续磁场的可行性尚不清楚，而且像CIP这样的磁性颗粒通常不用于可打印的混凝土混合物中，因为它们的成本高且机械贡献有限。
在硬化状态下，磁场已被广泛用于优化钢筋混凝土（SFRC）的机械性能[43]，[44]，[45]。与磁性颗粒不同，钢纤维是经过验证的增强材料，具有较高的成本效益[43]。通过将它们沿着预期的拉应力方向磁排列，可以显著提高弯曲和拉伸性能[44]，[45]。最近，这一概念已成功应用于基于挤出的3D打印SFRC。通过在喷嘴上安装永久磁铁或螺线管，先前的研究[46]，[47]证明了磁场在挤出过程中主动排列纤维的有效性。通过这些磁性装置，沿打印方向的纤维取向得到了显著改善，从而提高了横向弯曲强度[47]。这也突显了将纤维取向与打印结构中的机械响应联系起来的重要性，可以使用声发射和X射线计算机断层扫描等技术[48]，[49]。然而，这些研究主要关注于改善平面内的纤维取向，而磁场增强层间粘结性的潜力尚未得到探索。
总体而言，磁方法在同时解决3D打印混凝土的施工性和层间粘结性这一矛盾要求方面具有很大的潜力。然而，仍有两个关键问题尚未解决。首先，尚不清楚宏观尺度的纤维是否可以作为有效的磁响应材料来增强打印混凝土的稳定性和层堆叠。其次，现有的关于磁辅助3D打印SFRC的研究主要在挤出之前施加了磁场[46]，[47]，而丝材沉积后的磁刺激的可行性尚未被探索。鉴于磁性成分在流动基质中响应更为灵敏[50]，目前尚不清楚静态沉积的丝材中的钢纤维是否仍能被磁重新定向以跨越界面并增强弱界面区域。
在这项研究中，开发了一个定制的磁打印平台作为概念验证系统，以检验磁场同时增强3D打印SFRC的施工性和层间粘结性的可行性。施工性通过使用图像分析技术来量化打印构件的层厚度。对于机械评估，测量了声学行为以及压缩和界面（即层间和条间）粘结强度。此外，使用X射线计算机断层扫描（X-CT）来检查纤维的分布和取向，特别是受到强磁场影响的区域的磁诱导纤维排列。最后，通过比较它们的相对变化率，定量分析了机械性能与纤维取向之间的关系。这项研究验证了结合流变控制与纤维取向的新型磁辅助3DCP策略，为同时调节施工性和层间粘结性，从而提高打印混凝土的结构可靠性提供了有效途径。
