《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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短纤维增强3D混凝土打印中孔隙与纤维取向的空间分布及性能影响研究，采用微CT扫描技术分析不同喷嘴形状和间隙距离下单/多纤维试样的孔隙结构及纤维取向规律，发现喷嘴压力与重力共同作用形成孔隙率梯度，纤维排列受喷嘴几何形状和间隙距离显著影响，圆形喷嘴因更高的出口高度增强纤维轴向排列，内外区纤维取向差异经挤出变形后仍存在，孔隙和纤维的定向分布导致材料力学性能各向异性及不同失效模式。
Jiaxu Liu|Nan Zhang|Xiangyu Xie|Jay Sanjayan|Jinbo Chen|Viktor Mechtcherine|Lihai Zhang|Xuemei Liu
澳大利亚维多利亚州帕克维尔市墨尔本大学基础设施工程系，邮编3010
摘要
使用短而分散的纤维被认为是解决将增强材料整合到3D混凝土打印中的挑战的一个有前景的方案。本研究利用微CT扫描技术来检测使用不同喷嘴形状和喷射距离挤出的单丝和多丝试样的孔隙和纤维方向及其空间分布。结果表明，喷嘴的压力以及重力引起的侧向流动逐渐填充了下层的空隙，从而导致沿构建高度出现明显的孔隙率梯度。较小的喷射距离由于喷嘴对沉积材料施加了更大的压力，从而增强了纤维沿打印方向的排列。与矩形喷嘴相比，圆形喷嘴促进了更强的纤维排列，这主要归因于它们更高的出口高度，增强了喷嘴的压力效果。此外，喷嘴内的旋转螺旋钻也影响了最终纤维方向的分布。因此，未受剪切的内核中的纤维在很大程度上保持了其挤出过程中的方向，而受剪切的外环中的纤维则与周围流动方向对齐。尽管挤出引起的变形减少了这两个区域之间的差异，但方向上的差异仍然存在。此外，孔隙和纤维的方向分布显著影响了抗压强度和抗弯强度，影响了破坏模式，并导致了各向异性。这些观察结果为3D打印中纤维增强混凝土的建模和仿真提供了有用的信息。
部分摘录
引言
3D混凝土打印（3DCP）是一项发展迅速的技术，由于其众多优势，包括成本效益、施工速度加快、劳动力需求减少、废物管理改善以及更高的建筑自由度，因此受到了学术界[1]、[2]、[3]、[4]和工业界[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]的广泛关注[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，由于
原材料和混合比例
作为粘合剂使用了符合AS3972标准的商用波特兰水泥（CEM II 42.5 N），以及符合AS3582标准的致密硅灰。骨料成分包括30/60和16/30硅砂，其级配曲线可以在[70]中找到。加入了标称长度为6毫米、标称直径为0.2毫米的直铜涂层纤维。纤维的机械性能列在表2中。还使用了一种基于聚羧酸的高效减水剂（SP）
打印机
在本研究中，使用了一台龙门式3D打印机（图1）。该打印机在打印区域内中央安装了一个螺旋钻类型的挤出装置，以便沿所有笛卡尔坐标（X、Y和Z轴）移动。通过调整螺旋钻的旋转速度来调节打印速度，该速度通过专用控制面板与打印机的平移和垂直运动精确同步。打印机的挤出单元末端装有一个可更换的喷嘴
固化与样品制备
所有打印出的样品在打印后首先在室温下存放24 ± 3小时，然后浸入90°C的热水槽中三天。固化后，样品在室温下保存直到第七天进行测试。这种固化处理预计可以获得与标准28天固化效果相当的强度[71]、[72]。固化完成后，将试样切割成40毫米×40毫米×160毫米的棱柱体，用于抗弯测试。然后，对
孔隙形态
孔隙的重建结果如图7所示。对于使用圆形喷嘴生产的样品，观察到一个例外现象，即在水平和垂直层交界处形成了交叉空隙。这些交叉空隙呈细长的棒状，贯穿样品的整个厚度方向。这些方向分布的交叉空隙可能是各向异性的来源。
结论
本研究系统地探讨了基于挤出的3D混凝土打印中孔隙结构和纤维方向的形成与组织。通过结合基于μCT的微观结构表征以及喷嘴几何形状和打印参数的控制变化，研究结果表明，孔隙和纤维都表现出强烈的过程依赖性和空间有序性，而不是随机分布的特征。通过详细的实验分析，
作者贡献声明
Xuemei Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。Jay Sanjayan：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。Jinbo Chen：撰写 – 审稿与编辑、验证。Viktor Mechtcherine：撰写 – 审稿与编辑、监督。Lihai Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取。Jiaxu Liu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计，
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢澳大利亚研究委员会（ARC）通过Discovery项目资助（DP230100548）提供的财政支持。我们还要特别感谢墨尔本化学、地球与环境科学TrACEES平台允许我们使用他们的微CT扫描仪，这对我们的研究起到了重要作用。特别感谢Jay Black博士在整个项目期间提供的专业技术支持。此外，我们还要
