3D打印混凝土技术通过按需自动化的材料沉积方式可显著节省劳动力和材料，有助于建筑行业的转型升级。然而，要实现广泛的市场应用，该技术仍面临诸多挑战，特别是打印层间粘结不足这一关键问题。粘结不足不仅会引发3D打印水泥基材料（3DPCM）的力学性能和耐久性各向异性问题，甚至可能缩短打印结构的使用寿命。层间粘结不足的主要原因有两方面：一是由于材料屈服应力较高且分层沉积过程缺乏振动，导致层间混合不充分；二是层间水分和离子迁移对化学反应的影响。环境条件，尤其是温度，是影响水泥基材料流变性和水化反应的关键因素。在没有模板保护的情况下，温度将显著影响3DPCM层间界面的结构及其性能。

近日，同济大学材料科学与工程学院的可持续混凝土研究团队聚焦于3DPCM层间界面的温度敏感性问题，展开了系统研究。团队采用了压汞法（MIP）、X射线计算机断层扫描（CT）、纳米压痕（NI）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）等多种分析方法，深入揭示了材料挤出后环境温度变化对3DPCM中孔隙结构、骨料分布及水化产物组成的影响机制，同时系统分析了温度对层间粘结性能的影响。该研究成果有助于加深温度对层间界面影响的理解，对于3DPCM养护工艺的改善及其在不同环境中的广泛应用具有重要意义。

由于壁面效应，层间界面处骨料体积分数小于本体基质中的骨料体积分数。较高的环境温度提高了水泥浆体的结构化速度和程度，减弱了骨料的沉降，提高了其分散均匀性，从而减少了界面处骨料体积分数的变化（图1）。

图 1 样品中骨料体积分数随扫描高度的变化以及3D重建样品的两个垂直相交切片：（a）H1P1-20，（4）H1P1-40（蓝色表示骨料，黄色和绿色表示多孔结构，虚线用于区分不同的打印层）

环境温度的提高增加了水化产物的生成速率，使得3D打印水泥基材料层间界面处的孔径变细、孔体积变小。此外，孔隙的细化效应会进一步导致层间界面处与层本体之间的孔隙率差异的减小（图2和图3）。

图 2 孔隙率随扫描高度的变化以及孔隙结构的体积渲染图：（a）H1P1-20，（b）H1P1-40（虚线用于区分不同的打印层）

图 3 样品层间界面区域的孔径分布（MIP）：（a）累积孔体积，（b）dV/dlogD

由于3DPCM层间界面区孔隙率降低、高密度CSH含量增加，水化区的弹性模量随温度升高而增大。此外，在较高温度下硬化的3DPCM层间界面处观察到水化产物的原子比和弹性模量的分布更加集中，表明水化产物分布更加均匀（图4和图5）。

图 4 界面微区弹性模量频率分布（区间范围为 2 GPa）：（a）1 d龄期的 H1P1-20，（b）7 d龄期的 H1P1-20，（c）1 d龄期的 H1P1-40，（d）7 d龄期的 H1P1-40

图 5 不同温度下硬化样品的层间界面微区的化学成分：（a）Al/Ca和Si/Ca，（b）S/Ca与Al/Ca

环境温度的提高将导致层间界面处骨料互锁增强、孔隙率降低、高密度CSH含量提高，从而显著提升层间粘结强度。在采取湿度控制措施的前提下，早期（< 7天）进行高温养护似乎不会对3DPCM的长期层间粘结强度产生负面影响（图6）。这一发现为优化3DPCM的养护工艺提供了重要参考。

图 6 3D 打印水泥基材料的层间粘结强度随龄期的演变（误差棒对应标准误差，n = 3）

本项研究成果受到国家自然科学联合基金重点项目和中央高校基础研究基金等资助支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直围绕绿色低碳高性能混凝土可持续化理论与方法的研究主线开展前沿基础研究与重大需求应用研究，近些年在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文100余篇。

目前论文已经在线发表在Elsevier出版集团Cement and Concrete Composites杂志，欢迎大家通过以下链接下载浏览。

Y. Zhang, Y. Tao, J. R. A. Godinho, Q. Ren, Z. Jiang, K. Van Tittelboom, G. De Schutter, Layer interface characteristics and adhesion of 3D printed cement-based materials exposed to post-printing temperature disturbance, Cem. Concr. Compos. 155 (2025) 105837. 

https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105837

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