武汉大学陈宇轩,埃因霍温理工大学于清亮教授一区top期刊混凝土顶刊CCC:通过硅烷与竹纤维的流变控制抑制3D打印地质聚合物混凝土的收缩

出版年份：2026

来源：cement and concrete composites

课题组：武汉大学土木建筑工程学院陈宇轩，埃因霍温理工大学于清亮教授课题组

水泥；3D打印混凝土；地质聚合物；硅烷；竹纤维；收缩；流变学

摘要

3D打印混凝土是一项快速发展的建造技术，能够实现复杂结构的自动化、免模板制造。尽管具有诸多优势，但3DPC在早期养护过程中，尤其是在地质聚合物基体系中，其逐层堆叠的成型方式往往会导致显著的收缩与开裂。本研究探讨了竹纤维（BF）与异辛基三乙氧基硅烷（i-OTES）通过流变控制协同抑制3D打印地质聚合物混凝土（3DPGC）收缩的作用机制。实验结果表明，竹纤维由于内部养护效应而提高了体积稳定性，而硅烷对地质聚合物基体的改性则有效增强了其疏水性。借助扫描电子显微镜、流变测试和接触角测量等手段进行的微观结构与流变学分析表明：竹纤维作为流变改性剂和内部养护剂，能够提高静态屈服应力并减少干燥收缩；而硅烷则通过降低水分蒸发，在早期显著减轻塑性收缩。总体而言，竹纤维与i-OTES的协同使用显著提升了3DPGC的性能。值得注意的是，最优配比具有性能依赖性——1% i-OTES与1% BF的掺量组合在X、Y方向上的强度发展最为有利。本研究为提高3DPGC的抗收缩性能和力学性能提供了一种简单且可持续的途径。

研究背景

3D打印混凝土（3DPC）可免模制造复杂构件，但逐层堆叠的成型方式导致早期水分快速蒸发，引发显著的塑性收缩和干燥收缩，尤其在地质聚合物体系中更为严重。地质聚合物虽低碳环保，但其C-(N)-A-S-H凝胶对失水高度敏感，收缩应变远超普通硅酸盐水泥体系，易造成开裂和强度下降。现有缓解策略中，合成纤维主要起裂纹桥接作用，无法抑制水分蒸发；内养护剂（如高吸水树脂）能保水但不增强力学性能，甚至降低强度。因此，亟需一种兼具内养护与裂纹抑制能力、且成本低廉、环境友好的复合改性方法。

天然竹纤维（BF）因高吸水率（可达自重的300%）、良好的界面粘结和可再生性，可作为内养护剂和流变改性剂，提升3D打印地质聚合物混凝土（3DPGC）的静态屈服应力并减少干燥收缩。然而，BF对打印后数小时内的表面快速蒸发抑制有限，无法有效缓解塑性收缩。硅烷（如异辛基三乙氧基硅烷，i-OTES）可通过水解缩合在孔壁形成疏水层，降低水分蒸发速率和毛细压力，从而减轻塑性收缩，但单用硅烷会削弱层间粘结。因此，本研究提出BF与i-OTES协同改性策略，通过流变控制实现对3DPGC塑性收缩和干燥收缩的联合抑制，并系统考察其对新鲜性能、打印性、力学性能及微观结构的影响。

研究内容

本研究围绕“硅烷与竹纤维协同调控流变以抑制3D打印地质聚合物混凝土（3DPGC）收缩”这一主线，从材料设计、新鲜性能与流变行为、水分传输与疏水特性、收缩与抗裂性能、力学性能与层间粘结、微观机理分析等六个层面开展系统研究。

第一，进行材料设计与配合比优化。以矿渣和粉煤灰为前驱体，水玻璃为碱激发剂，石英砂为骨料，固定水胶比0.367、硅酸钠模数2.0、砂胶比2.0。设置竹纤维（BF）掺量为0、1、2 wt.%，异辛基三乙氧基硅烷（i-OTES）掺量为0、1、2 wt.%，共配制9组配合比，以考察单掺与复掺的影响。

第二，系统表征新鲜性能与流变行为。测试凝结时间、流动度与稠度；采用流变仪获得静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度，并监测0~80 min内的时变演化；评价可挤出性（开放时间）和可建造性（最大堆叠层数及高度变形率），明确BF与i-OTES对打印施工性能的调控作用。

第三，开展水分传输与疏水特性测试。连续监测打印后7200 s内的内部相对湿度；测定不同延迟时间下的表面自由水含量；测量水接触角；结合孔径分布和内部相对湿度，基于Young-Laplace和Kelvin方程半定量估算毛细压力，揭示水分迁移与收缩的内在联系。

第四，评估收缩与抗裂性能。采用数字图像相关法（DIC）监测打印后120 min内的塑性收缩应变场；按标准方法测量28 d干燥收缩；利用波纹底板约束试验记录首裂时间、裂缝数量及总面积，全面评价早期抗裂能力。

第五，考虑3D打印的各向异性特征，分别沿X（打印方向）、Y（平面正交方向）、Z（堆叠方向）测试1 d和28 d抗压强度；同时采用直接拉伸法测定1 d、7 d、28 d龄期的层间粘结强度，以评估力学性能和界面结合。

最后，通过微观机理分析阐明协同作用机制。采用等温量热仪监测24 h水化放热；利用扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）观察纤维-基体界面形貌、水化产物分布及元素特征，从微观层面揭示竹纤维的内养护/裂纹桥接作用与硅烷的疏水屏障协同抑制收缩的机理。

图表说明

图1。（a）GGBS和（b）FA的颗粒尺寸分布。

图2。（a）本研究中使用的竹纤维的形态学和（b）吸水性。

图3。（a）i-OTES的化学结构，以及（b）硅烷悬浮液的外观。

图4。本研究中使用的石英砂颗粒大小分布。

图5。本研究中用于制备3DPGC的3D打印机。

图6。3D打印混凝土样品的外观。

图7。流变学测试的设置程序。

图8。3DPGC中塑料收缩DIC监测的示意图。

图9。用于强度测试提取打印样品的示意图。

图10。3DPGC可建造性测试示例：可建造性指数与最大承载层数。

图11。3DPGC可建造性测试示例：可建造性指数与最大承载层数。

图12.3DPGC的初凝与终凝时间。

图13。3DPGC的跳桌流动度与稠度。

图14。 (a) 3DPGC的流变曲线（按设定程序）；(b) 剪切应力随剪切速率下降的实测数据及基于Bingham模型的动态屈服应力与塑性粘度线性拟合曲线。

图15。3DPGC的静态屈服应力、动态屈服应力及塑性粘度。

图16。3DPGC静态屈服应力、动态屈服应力与塑性粘度的时变演化。

图17。(a) 掺加硅烷的3D打印地质聚合物浆体归一化水化热与(b) 累计水化热；(c) 同时掺加BF和硅烷的归一化水化热与(d) 累计水化热。

图18。 3DPGC浆体的静态屈服应力演化与归一化水化热。

图19。B0S0、B1S0、B0S2的可挤出性（左）及各配合比3DPGC的开放时间（右）。

图20。3DPGC的最大打印层数与高度变形率。

图21。3DPGC的内部相对湿度。

图22。表面水含量与间隔时间的关系。

图23。掺加BF和i-OTES的3DPGC的水接触角。

图24。3DPGC配合比的塑性收缩行为：(a) 以对照组B0S0为例的逐层收缩应变演化（打印后垂直收缩梯度）；(b) 所有配合比名义塑性收缩应变的对比。

图25。3D打印地质聚合物混凝土的干燥收缩。

图26。3DPGC的宏观形貌（从左至右：B0S0、B2S0、B0S2、B2S2）。

图27。3DPGC在X/Y/Z三个方向的抗压强度。

图28。3DPGC在1 d、7 d、28 d龄期的层间粘结强度。

图29。(a) 掺加BF/硅烷的3DPGC断口扫描电镜图像及对应的能谱面扫描元素分布：(b) Na；(c) C；(d) Al；(e) Si；(f) Ca。

图30。竹纤维与硅烷抑制3DPGC收缩的机理示意图：(a) 未改性3DPGC；(b) 3DPGC + BF；(c) 3DPGC + BF + 硅烷。

结论

本研究探讨了通过内养护与疏水改性，利用竹纤维（BF）和长链硅烷i-OTES抑制3D打印地质聚合物混凝土（3DPGC）收缩的效果，并同时优化了3DPGC的新鲜性能、打印性、强度及微观结构。基于实验结果，得出以下结论：

1. 竹纤维显著促进了3DPGC的结构构建。当掺量为1–2 wt.%时，BF提高了静态屈服应力并增强了可建造性，同时其内养护效应显著降低了干燥收缩。然而，过量的BF可能损害可挤出性。

2. 硅烷能有效降低3DPGC的塑性收缩和干燥收缩。在约1 wt.%掺量下，i-OTES提高了表面疏水性，降低了表面水分蒸发，减轻了打印后2小时内的变形，并略微降低了塑性粘度和动态屈服应力，同时不影响挤出连续性。

3. 竹纤维与硅烷的协同使用使3DPGC兼具疏水性和内养护效应，效果优于二者单独使用。竹纤维提供了承力型水分储备网络，而硅烷形成了蒸发屏障并削弱了毛细压力，从而拓宽了打印窗口并改善了尺寸稳定性。

4. 1 wt.% BF与i-OTES的复掺提高了3DPGC在多个加载方向上的抗压强度。此外，同时含有BF和i-OTES的混合料比对照混合料表现出显著更少的表面开裂。

5. 1–2 wt.%竹纤维与约1 wt.% i-OTES的组合构成了一个适宜的操作窗口，可在可挤出性、形状保持与收缩控制之间实现良好平衡。未来研究应进一步评估不同配合比、添加剂浓度及养护制度下的耐久性能。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2026.106672

本期编者介绍

翻译：

朱隽钰    本科生    云南农业大学

审核：

李   黎    副教授    西北农林科技大学

排版：

朱隽钰    本科生   云南农业大学