《Materials》：Load-Dependent Performance of Repair Techniques for Corrosion-Induced Pinhole Defects in Agricultural Pipelines
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本研究评估了3D打印水泥基和碱激发复合材料在实验室、大气及冻融条件下的力学性能、各向异性及空间变异性。碱激发复合材料表现出比水泥基混合物高得多的收缩率，反映了其反应机理和孔结构发展的差异。在代表垂直（?）和水平（∥）行为的两个正交方向上测量了抗压强度。未激活混
本研究评估了3D打印水泥基和碱激发复合材料在实验室、大气及冻融条件下的力学性能、各向异性及空间变异性。碱激发复合材料表现出比水泥基混合物高得多的收缩率，反映了其反应机理和孔结构发展的差异。在代表垂直（?）和水平（∥）行为的两个正交方向上测量了抗压强度。未激活混合物在参考条件下的抗压强度为11–12 MPa，而碱激发复合材料达到19–20 MPa。大气暴露使抗压强度提高了10–22%，而冻融循环对垂直方向强度无显著影响。未激活混合物的抗弯强度保持较低（3.7–5.3 MPa），而激活复合材料在参考状态下表现出较高的抗弯强度（8.8–15.0 MPa），但大气暴露后降至5.3–5.8 MPa。碱激发混合物的各向异性程度显著增加（从0.09增至0.24），而未激活材料则保持相对稳定（0.04–0.11）。经过环境和冻融暴露后，玻璃纤维未显示明显降解，而美利奴羊毛纤维仅表现出轻微表面不规则性，证实了两种纤维类型在可持续轻质3D打印水泥基和碱激发复合材料中的应用潜力。
**论文解读：轻质3D打印水泥基与碱激发复合材料的性能与耐久性研究**
**研究背景与问题**
建筑行业面临减少温室气体排放、降低原材料消耗及提升建筑能效的多重挑战。开发低密度、高保温性能的多孔水泥基复合材料是降低建筑运营能耗的重要方向，但多孔结构会导致力学性能下降及对环境因素（如湿度、冻融循环）的敏感性增加。纤维增强是改善微裂纹发展和结构完整性的有效手段，而3D打印技术（特别是挤出式增材制造）为材料优化与自动化施工提供了新途径。同时，循环经济理念推动将纺织纤维废料（如美利奴羊毛）和玻璃纤维废料作为二次原料纳入复合材料。然而，现有研究对轻质多孔3D打印水泥基复合材料中混合纤维（天然纤维与工业纤维）的长期耐久性、环境暴露行为及各向异性演变的认识仍有限。因此，本研究旨在评估混合纤维增强（美利奴羊毛纤维与玻璃纤维）对轻质多孔3D打印水泥基和碱激发复合材料的新鲜性能、力学性能及耐久性的影响，并分析收缩、冻融循环、大气暴露后的强度变化及微观结构退化。
**主要技术方法**
研究人员采用了一种筛选方法，基于前期研究选定了水泥基和碱激发两种基体体系，并通过3D打印技术制备试样。关键技术包括：1）使用龙门式3D打印机（配备20 mm喷嘴，打印速度40 mm/s）沉积层高8 mm、宽20 mm的墙体及棱柱体；2）通过激光位移传感器测量收缩行为；3）在环境试验箱中进行冻融循环（-40°C至80°C，共120个循环，240次跨0°C）；4）对打印墙体试样进行为期六个月的天然大气暴露（波兰克拉科夫，温带气候区）；5）采用三点弯曲和压缩测试评估力学性能，并计算各向异性指数（I
D）；6）使用数字光学显微镜（Keyence VHX-7000）进行纤维微观形貌分析。样本来源为实验室制备的3D打印构件，未提及队列来源。
**研究结果**
**3.1 混合物性能与打印表现**
所有混合物的密度在24小时内变化低于0.7%，表明泡沫结构稳定。碱激发混合物的流动直径随时间下降更快（30分钟后从136–154 mm降至102–120 mm），其中混合物4-M6的流动度保持最好（降幅25 mm），而3-M4下降最大（37 mm），这与碱激发反应引起的快速结构构建有关。
**3.2 3D打印结构的收缩行为**
水泥基复合材料（1-M1和2-M3）的收缩值较低（约4500–5000 μm/m），而碱激发复合材料（3-M4和4-M6）的收缩显著更高（约21,000–25,000 μm/m），归因于碱激发体系中的快速凝胶形成、自干燥及孔结构细化导致的毛细应力增加。收缩率在打印后数小时内最高，随后逐渐稳定。
**3.3 环境暴露与冻融循环对力学性能的影响**
非激活混合物（水泥基）的弯曲强度较低（3.77–5.34 MPa），对环境暴露不敏感；碱激发混合物在参考状态下弯曲强度较高（3-M4：14.99 MPa；4-M6：8.78 MPa），但大气暴露后分别下降约61%和40%。抗压强度方面，非激活混合物在参考状态下为10.47–12.68 MPa，大气暴露后增至12.03–14.57 MPa；碱激发混合物在参考状态下为16.97–19.60 MPa，大气暴露后增至16.57–23.43 MPa（取决于加载方向）。冻融循环后，所有混合物的垂直方向抗压强度保持率均超过100%，但碱激发混合物在平行方向（层间方向）出现显著下降（3-M4：14.95 MPa；4-M6：15.24 MPa），表明层间界面是劣化集中区域。各向异性指数（I
D）显示，碱激发混合物在冻融后I
D显著增加（例如3-M4从约0.1增至0.24），而水泥基混合物保持稳定（0.04–0.11），证实层间键合退化导致各向异性加剧。
**3.4 微观结构解释**
显微镜观察显示，在参考状态下，玻璃纤维（GFs）表面光滑，美利奴羊毛纤维（MFs）具有特征鳞片结构。大气暴露后，两种纤维在水泥基混合物中保持完整性，仅表面有矿物沉积；碱激发混合物中，玻璃纤维出现局部表面钝化，羊毛纤维出现鳞片张开和轻微不规则性。冻融循环后，玻璃纤维在碱激发混合物4-M6中仍保持形态，而羊毛纤维出现局部断裂和裂纹样特征，但未发生严重降解。总体而言，纤维在基质中表现出良好的稳定性，仅存在有限的表面交互作用。
**讨论与结论**
研究结果表明，3D打印水泥基和碱激发复合材料的设计需在新鲜态稳定性、收缩发展、力学性能与长期层间耐久性之间取得平衡。碱激发可显著提升初始力学性能，但增加了环境暴露下各向异性退化及层间键合弱化的风险。水泥基复合材料则表现出更稳定的整体行为。研究结论强调：1）所有混合物在24小时内密度变化不超过0.7%，证实稳定的泡沫结构；2）碱激发混合物的收缩（21,000–25,000 μm/m）远高于水泥基（4500–5000 μm/m），可能影响打印构件的尺寸精度；3）碱激发混合物在参考状态下弯曲强度最高达14.99 MPa，但大气暴露后下降显著；4）抗压强度保持率在垂直方向均超过100%，但冻融后碱激发混合物在平行方向降低，证明层间区域是环境劣化的关键；5）结合玻璃纤维与废羊毛纤维是一种可行的混合增强策略，有助于提高力学性能并实现工业与纺织废料的循环利用。论文发表在《Materials》。
