表面含水率与层间特性：近红外光谱测量、微观结构分析方法及主动控制策略

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Surface moisture and interlayer properties: Near-infrared spectroscopy measurements, microstructural approach and active control strategy

　　

杨敏妮|若昂·比多亚|埃马纽埃尔·凯塔|翁一伟|尼古拉斯·鲁塞尔

中国香港香港理工大学建筑管理及智能系

摘要

表面水分对3D打印水泥基材料的层间粘结性能有着重要影响。本文提出了一种基于近红外光谱技术的无损检测方法，用于量化表面水分，并将实时近红外传感与对表面水分及层间粘结强度的对照研究相结合。我们首先开发、校准并验证了一种自动化的近红外系统。利用该系统，我们研究了在不同环境条件下因湿润或干燥引起的表面水分变化如何影响层间性能。研究结果表明，表面水分在调控局部水泥水化、局部孔隙率以及最终层间粘结强度方面起着关键作用。值得注意的是，我们发现对于某种可打印材料而言，表面水分与粘结强度之间存在一种独特的关系，这种关系与本文研究的湿润和/或干燥历史无关。基于这些见解，我们提出了一种主动式表面水分控制策略，能够在不同环境条件下精准调控粘结强度。这一方法为优化或调整3D打印水泥基材料的结构性能提供了有力框架。

引言

3D混凝土打印技术为无需模板即可加工混凝土构件提供了可能，同时提升了建筑行业的生产效率[1]、[2]。然而，人们也担心连续打印层之间的界面可能会对材料的耐久性和力学性能产生不利影响[3]、[4]、[5]。为解决3D混凝土打印中的界面问题，现有的策略通常根据不同的机制分为物理方法和化学方法两类[6]、[7]。典型的物理方法包括通过机械表面处理来促进各层之间的“互锁”[8]，而化学方法则涉及使用聚合物粘合剂等粘结剂[9]。这两种方法都耗时且成本高昂。因此，需要一种更简单、自动化的方法，在不依赖外部添加剂的情况下，通过优化界面性能来提升层间性能。

为应对这一挑战，优化3D打印混凝土的表面水分是一种很有前景的方法，因为层间性能对干燥条件和表面水分水平极为敏感[10]、[11]。表面水分直接影响各层之间的化学相互作用，从而决定打印结构的物理和力学性能[12]、[13]。虽然先前的研究一致表明表面水分与层间粘结强度之间存在正相关关系——较高的水分水平通常会提升层间性能[14]、[15]——但翁等人[16]观察到了相反的结果：在层间使用水作为粘结剂实际上会削弱层间粘附力。这些相互矛盾的结论表明，表面水分与层间粘结强度之间的关系并非线性，而是呈现出复杂的非单调行为，这意味着存在一个最佳的表面水分范围。

在工业应用中确定并应用这一最佳表面水分水平需要精确的测量和量化，而传统的以整体为研究对象的方法无法满足这一需求[10]、[11]、[15]。在此背景下，近红外光谱技术作为一种快速、无损的技术应运而生，它能够通过分子对特定波长的选择性吸收来检测分子功能团[17]。近红外吸收强度与化学成分浓度之间的定量关联早已得到证实[18]，而且该技术在多种领域的水分分析中都展现出了良好的效果，包括食品科学[19]、农业[20]、聚合物基材料[21]以及建筑材料[22]。尤为重要的是，近红外光谱的穿透深度有限，这使其特别适合用于评估3D打印水泥基材料的表面水分。与用于原位检测层间性能的光学技术相比[23]、[24]、[25]，近红外技术能够准确测量聚合物和土壤中大约1毫米深处的含水量[21]、[26]。在3D混凝土打印的具体应用中，耿等人[12]证实，表面水分可以代表近表面区域的情况，其典型探测深度为1.0 ± 0.1毫米。

然而，近红外技术是否适用于3D混凝土打印中的原位表面水分测量，以及表面水分与层间性能之间的非线性机制尚未被明确——这些都限制了通过主动控制水分来提升层间性能的可能性。为填补这一研究空白，本文将基于近红外的原位水分测量技术与可控的湿润-干燥实验框架相结合，旨在：（1）开发一种用于3D混凝土打印表面水分测量的近红外平台；（2）建立表面水分量化的校准体系；（3）研究由湿润或干燥引起的表面水分变化如何影响层间性能；（4）展示一种基于近红外技术的主动式表面水分优化策略。

在本文中，我们首先介绍了一种基于近红外光谱技术的自动化、无损检测系统，包括对该材料表面水分含量及其相应近红外光谱特征的校准方法。通过这一工具，我们发现在所研究的干燥和湿润范围内，本文所研究的可打印水泥浆体的表面水分含量与层间粘结强度之间存在一种独特的非线性关系。这种关系在第一阶近似下主要由第二层沉积时的表面水分含量决定，几乎不受之前干燥或湿润历史的影响。通过结合X射线微断层扫描、扫描电子显微镜和能谱分析，我们确定了决定层间性能的三种不同状态。这些状态是由层间区域的最终孔隙率决定的，而孔隙率又是由干燥和水化作用之间的竞争效应所形成的。最后，我们通过一个实际案例展示了基于近红外技术的表面水分控制策略在主动优化3D打印水泥基材料层间粘结强度方面的潜力。

章节节选

材料与实验方案

本节介绍了材料准备以及多尺度实验方案。我们开发了一种基于近红外的平台用于测量表面水分。同时，还设计并开展了实验，以研究表面水分对宏观力学性能和微观结构形态的影响。

干燥样本的层间粘结强度

图10展示了在不同干燥条件下，两层之间静止时间与界面处测得的水灰比以及相应的层间粘结强度之间的关系。层间水灰比是依据2.2.2节图5中给出的校准模型，从光谱数据中无损提取出来的。在无风实验室条件下，暴露2小时后，层间水灰比分别下降了大约20%、30%和40%

讨论

在图16中，我们展示了所测得的层间粘结强度与打印第二层及后续层时记录的层间水灰比之间的关系数据集。相对于参考状态Ref-0，这种关系可以分为三种不同的类型，每种类型都受到不同水分作用机制的影响。统计分析进一步显示，这三种类型之间存在显著差异（p值=3.93×10^?11，小于0.05）。研究结果揭示了

回归工业实践：基于近红外技术的表面水分优化策略在主动控制层间粘结强度方面的概念验证

基于上述结果和分析，本节给出了一个概念验证示例。我们提出并评估了一种基于近红外技术的水分优化策略，用以主动控制层间粘结强度。实验方案如下：在高风速（11米/秒）条件下，设置10分钟、20分钟和30分钟的干燥时间间隔，以此模拟加速蒸发的情况。

我们设置了两个不同的实验组。在第一组中，第二层被沉积

结论

本文提出了一种新的策略，将实时近红外传感技术与对表面水分及层间粘结强度的对照研究相结合，应用于3D混凝土打印领域。主要结论如下：

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  所提出的基于近红外的测量系统及光谱校准模型为无损量化所研究材料系统的表面水分提供了一种创新方法，其准确度为R²=0.86。
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  研究表明，表面水分会对界面

CRediT作者贡献说明

杨敏妮：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据整理、概念构建。若昂·比多亚：撰写——审阅与编辑、实验研究。埃马纽埃尔·凯塔：撰写——审阅与编辑、实验研究。翁一伟：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、资金获取、概念构建。尼古拉斯·鲁塞尔：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢由中国国家自然科学基金支持的项目编号52308284。本文的研究工作还得到了香港研究资助局与法国驻香港总领事馆共同资助的PROCORE-法国/香港联合研究计划的支持，项目编号为F-PolyU503/24。