玻璃纤维长度对3D打印砂浆可打印性与力学性能的调控机制研究

《Journal of Intelligent Construction》：Influences of Fiber Length on the Printability and Strength of Glass Fiber-Reinforced 3D-Printed Mortar

　　本文推荐一项针对玻璃纤维增强3D打印混凝土（3DPC）的创新研究。为解决3D打印结构 tensile strength不足和力学性能各向异性的问题，研究人员系统探讨了不同水灰比（W/C=0.24-0.32）和玻璃纤维长度（5-25 mm）对3D打印砂浆（3DPM）可打印性（包括挤出性、可建造性和尺寸稳定性）与力学性能的影响。研究发现，增加纤维长度可显著提升挤出稳定性（VCE降低至1.02%）、可建造性（VCB降至0.30%）和尺寸稳定性（CDS降至3.21%），并使弯曲强度最高提升92.6%，但会导致抗压强度最大降低46.8%。该研究为通过纤维长度设计优化3DPC打印工艺和力学性能提供了重要理论依据。

　　

在建筑行业迈向智能制造的浪潮中，三维打印混凝土（3DPC）技术正以其无模化、快速成型和设计自由度的优势引发一场革命。然而，这项新兴技术也面临着严峻挑战：由于层间粘结弱化和缺乏传统钢筋增强，打印出的结构往往存在 tensile strength 不足、脆性大和力学性能各向异性等问题。这极大地限制了3DPC在承重结构中的应用。如何在不影响打印工艺的前提下，有效提升打印构件的力学性能，特别是抗拉和抗弯能力，成为研究者们亟待攻克的关键难题。

纤维增强是提升水泥基材料韧性和抗裂性能的有效途径。在众多纤维材料中，玻璃纤维因其良好的力学性能、耐碱性和成本优势而备受关注。尽管已有研究尝试将玻璃纤维用于3D打印混凝土，但关于纤维长度这一关键参数如何系统影响材料可打印性和力学性能的深入研究仍显不足。为此，广州大学的Leo Gu Li及其团队在《Journal of Intelligent Construction》上发表了最新研究成果，深入探讨了玻璃纤维长度对3D打印砂浆（3DPM）性能的调控规律。

为了揭示玻璃纤维长度的影响机制，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们采用了实验室规模的三轴3D打印机，其打印头配备了内径为15 mm的圆形喷嘴。研究通过精确控制水灰比（0.24, 0.28, 0.32）和玻璃纤维长度（5, 10, 15, 20, 25 mm），制备了15种不同的3DPM混合物，其中纤维与水泥的质量比固定为0.50%，水泥与砂的质量比为1.00。通过流动度测试确定最佳减水剂（SP）掺量，以确保砂浆具有适合打印的流变性（流动扩展度控制在180-230 mm）。随后，系统评估了各配比砂浆的打印性能（包括挤出性VCE、可建造性VCB和尺寸稳定性CDS）以及力学性能（抗弯强度和抗压强度），并与同等条件下浇筑的试件进行对比，以分析打印过程带来的各向异性效应。

主要关键技术方法

本研究的关键技术方法包括：采用流动度测试确定适合3D打印的砂浆工作性范围；使用实验室三轴3D打印机进行材料挤出和层叠打印；通过变异系数法量化评价挤出质量（VCE）和堆积建造质量（VCB）；通过尺寸稳定性系数（CDS）评估打印体在荷载下的形变能力；参照标准方法测试打印和浇筑试件在28天龄期时的抗弯和抗压强度，以分析打印工艺引起的力学性能各向异性。

4.1 SP掺量与流动扩展度结果

减水剂（SP）的用量随水灰比的降低和纤维长度的增加而增加，这是因为低水灰比和长纤维都会增加新鲜砂浆的流动阻力。所有配比的砂浆流动扩展度均控制在191-224 mm的理想范围内，为成功打印奠定了基础。

4.2 挤出性变异系数（VCE）

研究发现，在固定纤维长度下，VCE随水灰比的增加而增大，表明挤出均匀性变差。而在固定水灰比下，VCE随玻璃纤维长度的增加而显著降低。例如，当水灰比为0.32时，纤维长度从5 mm增加至25 mm，VCE从3.01%降至1.65%。这表明较长的玻璃纤维能更好地包裹砂浆基质，使其更连续稳定地挤出，从而显著改善了挤出性。

4.3 可建造性变异系数（VCB）

与VCE类似，VCB随水灰比的增加而增大，表明高含水量不利于保持打印体的形状稳定性。更重要的是，增加纤维长度可显著降低VCB。例如，在水灰比为0.24时，纤维长度从5 mm增至25 mm，VCB从1.04%降至0.30%。这说明玻璃纤维的加入，特别是长纤维，为打印体在堆积过程中提供了关键支撑，极大地提升了可建造性。

4.4 尺寸稳定性系数（CDS）

CDS随水灰比的增加而增大，表明高水灰比会削弱砂浆的内聚力，导致其在底层荷载下更易变形。而增加纤维长度能有效降低CDS。例如，在水灰比为0.24时，纤维长度从5 mm增至25 mm，CDS从11.51%降至3.21%。这证实了玻璃纤维，特别是长纤维，能够有效约束下层砂浆的变形，显著改善尺寸稳定性。

4.5 抗弯强度

对于浇筑和打印试件，在相同纤维长度下，降低水灰比能提高抗弯强度。更重要的是，在固定水灰比下，增加纤维长度能显著提升抗弯强度。对于打印试件，此增强效果尤为突出：当水灰比为0.24时，纤维长度从5 mm增至25 mm，抗弯强度从9.79 MPa提升至17.17 MPa，增幅达75.4%。打印过程本身使抗弯强度提升了16.7%至92.6%。这归因于打印过程中纤维沿挤出方向的定向排列，当受弯试件的拉应力方向与纤维取向一致时，其承载能力显著提高。

4.6 抗压强度

与抗弯强度不同，增加玻璃纤维长度会导致抗压强度下降。对于打印试件，在水灰比为0.24时，纤维长度从5 mm增至25 mm，抗压强度从60.10 MPa降至53.15 MPa。这主要是因为纤维在压力下不能有效协助基体承压，且纤维-基体界面粘结较弱，长纤维可能引入更多缺陷。打印过程对抗压强度产生了显著的负面影响，强度损失达21.1%至46.8%。这主要是由于层间薄弱区的存在，在垂直加载时成为应力集中和破坏的起点。

研究结论与意义

本研究系统阐明了玻璃纤维长度和水灰比对3D打印砂浆（3DPM）可打印性和力学性能的显著影响。核心结论表明，适当降低水灰比和增加玻璃纤维长度能协同提升材料的挤出性、可建造性和尺寸稳定性，并显著增强抗弯性能（最高提升92.6%）。然而，纤维的引入和打印过程导致的各向异性也会造成抗压强度显著降低（最高达46.8%）。这一矛盾现象揭示了3DPC材料设计的核心挑战：在利用纤维增强和打印工艺获得优异抗弯性能的同时，必须正视并解决抗压强度的损失问题。

该研究的重要意义在于为玻璃纤维增强3DPC的工程应用提供了关键设计依据。研究表明，通过精确调控纤维长度和水灰比，可以有针对性地优化材料的打印性能和特定力学性能。针对抗压强度损失，研究建议可采用适度降低水灰比并辅以减水剂维持打印性，或掺入硅灰等增强掺合料的方法进行补偿。在克服抗压强度短板后，玻璃纤维增强3DPM在制造曲面模板、预制板等非标准结构中具有广阔的应用前景。这项工作不仅深化了对纤维增强3D打印材料性能调控机制的理解，也为推动3D打印混凝土技术在复杂建筑结构中的实际应用迈出了坚实的一步。