《Journal of Building Engineering》：Orientation and Spatial Distribution of Pores and Fibers in Concrete Elements Produced by Extrusion-Based 3D Printing
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短纖維增強3D混凝土打印中孔隙與纖維取向的空間分布及性能影響研究，采用微CT掃描技術分析不同噴嘴形狀和間隙距離下單/多纖維試樣的孔隙結構及纖維取向規律，發現噴嘴壓力與重力共同作用形成孔隙率梯度，纖維排列受噴嘴幾何形狀和間隙距離顯著影響，圓形噴嘴因更高的出口高度增強纖維軸向排列，內外區纖維取向差異經擠出變形后仍存在，孔隙和纖維的定向分布導致材料力學性能各向異性及不同失效模式。
Jiaxu Liu|Nan Zhang|Xiangyu Xie|Jay Sanjayan|Jinbo Chen|Viktor Mechtcherine|Lihai Zhang|Xuemei Liu
澳大利亞維多利亞州帕克維爾市墨爾本大學基礎設施工程系，郵編3010
摘要
使用短而分散的纖維被認為是解決將增強材料整合到3D混凝土打印中的挑戰的一個有前景的方案。本研究利用微CT掃描技術來檢測使用不同噴嘴形狀和噴射距離擠出的單絲和多絲試樣的孔隙和纖維方向及其空間分布。結果表明，噴嘴的壓力以及重力引起的側向流動逐漸填充了下層的空隙，從而導致沿構建高度出現明顯的孔隙率梯度。較小的噴射距離由于噴嘴對沉積材料施加了更大的壓力，從而增強了纖維沿打印方向的排列。與矩形噴嘴相比，圓形噴嘴促進了更強的纖維排列，這主要歸因于它們更高的出口高度，增強了噴嘴的壓力效果。此外，噴嘴內的旋轉螺旋鉆也影響了最終纖維方向的分布。因此，未受剪切的內核中的纖維在很大程度上保持了其擠出過程中的方向，而受剪切的外環中的纖維則與周圍流動方向對齊。盡管擠出引起的變形減少了這兩個區域之間的差異，但方向上的差異仍然存在。此外，孔隙和纖維的方向分布顯著影響了抗壓強度和抗彎強度，影響了破壞模式，并導致了各向異性。這些觀察結果為3D打印中纖維增強混凝土的建模和仿真提供了有用的信息。
部分摘錄
引言
3D混凝土打印（3DCP）是一項發展迅速的技術，由于其眾多優勢，包括成本效益、施工速度加快、勞動力需求減少、廢物管理改善以及更高的建筑自由度，因此受到了學術界[1]、[2]、[3]、[4]和工業界[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]的廣泛關注[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，由于
原材料和混合比例
作為粘合劑使用了符合AS3972標準的商用波特蘭水泥（CEM II 42.5 N），以及符合AS3582標準的致密硅灰。骨料成分包括30/60和16/30硅砂，其級配曲線可以在[70]中找到。加入了標稱長度為6毫米、標稱直徑為0.2毫米的直銅涂層纖維。纖維的機械性能列在表2中。還使用了一種基于聚羧酸的高效減水劑（SP）
打印機
在本研究中，使用了一臺龍門式3D打印機（圖1）。該打印機在打印區域內中央安裝了一個螺旋鉆類型的擠出裝置，以便沿所有笛卡爾坐標（X、Y和Z軸）移動。通過調整螺旋鉆的旋轉速度來調節打印速度，該速度通過專用控制面板與打印機的平移和垂直運動精確同步。打印機的擠出單元末端裝有一個可更換的噴嘴
固化與樣品制備
所有打印出的樣品在打印后首先在室溫下存放24 ± 3小時，然后浸入90°C的熱水槽中三天。固化后，樣品在室溫下保存直到第七天進行測試。這種固化處理預計可以獲得與標準28天固化效果相當的強度[71]、[72]。固化完成后，將試樣切割成40毫米×40毫米×160毫米的棱柱體，用于抗彎測試。然后，對
孔隙形態
孔隙的重建結果如圖7所示。對于使用圓形噴嘴生產的樣品，觀察到一個例外現象，即在水平和垂直層交界處形成了交叉空隙。這些交叉空隙呈細長的棒狀，貫穿樣品的整個厚度方向。這些方向分布的交叉空隙可能是各向異性的來源。
結論
本研究系統地探討了基于擠出的3D混凝土打印中孔隙結構和纖維方向的形成與組織。通過結合基于μCT的微觀結構表征以及噴嘴幾何形狀和打印參數的控制變化，研究結果表明，孔隙和纖維都表現出強烈的過程依賴性和空間有序性，而不是隨機分布的特征。通過詳細的實驗分析，
作者貢獻聲明
Xuemei Liu：撰寫 – 審稿與編輯、監督、資源協調、項目管理、資金獲取、概念構思。Jay Sanjayan：撰寫 – 審稿與編輯、監督、資源協調。Jinbo Chen：撰寫 – 審稿與編輯、驗證。Viktor Mechtcherine：撰寫 – 審稿與編輯、監督。Lihai Zhang：撰寫 – 審稿與編輯、監督、資源協調、資金獲取。Jiaxu Liu：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、驗證、方法論設計，
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
作者衷心感謝澳大利亞研究委員會（ARC）通過Discovery項目資助（DP230100548）提供的財政支持。我們還要特別感謝墨爾本化學、地球與環境科學TrACEES平臺允許我們使用他們的微CT掃描儀，這對我們的研究起到了重要作用。特別感謝Jay Black博士在整個項目期間提供的專業技術支持。此外，我們還要
