基于有机纤维的3D打印混凝土性能调控与机理研究进展

Research Progress on Performance Control and Mechanism of 3D Printed Concrete Based on Organic Fibers

摘要

3D打印混凝土（3DPC）在智能建造领域应用前景广阔。但其力学性能、开裂敏感性与收缩行为仍面临较大挑战。有机纤维的引入可有效改善3DPC的性能，包括提升抗拉韧性、降低收缩应力及改善打印可控性。文章系统综述不同类型有机纤维在3DPC中的应用现状，重点分析其对力学性能的提升机制与多尺度增强机理，探讨纤维与水泥基体间的界面行为、微观作用机制及多尺度协同效应，并总结纤维特性（长度、直径、含量及表面改性）与混凝土性能之间的关联。最后，结合当前研究现状，提出该领域未来的研究方向与发展趋势，以期为材料设计优化与智能建造提供参考。

Abstract

Three-dimensional printed concrete (3DPC) demonstrates significant potential for applications in intelligent construction. Nevertheless, challenges remain regarding its mechanical properties, cracking susceptibility, and shrinkage behavior. The incorporation of organic-based fibers offers an effective means to enhance the performance of 3DPC, particularly in terms of improving tensile toughness, reducing shrinkage stress, and enhancing printability control. The paper systematically reviewed the current application status of different types of organic-based fibers in 3DPC, with a focus on analyzing their strengthening mechanisms for mechanical properties and multi-scale reinforcement mechanisms. The interfacial behavior between fibers and the cement matrix, microscale interaction mechanisms, and multi-scale synergistic effects were discussed, and the correlations between fiber characteristics (length, diameter, content, and surface modification) and concrete performance were summarized. Finally, in light of the current research status, future research directions and development trends in this field were proposed, with the aim of providing references for material design optimization and intelligent construction.

Graphical abstract

关键词

3D打印混凝土 / 有机纤维 / 力学性能 / 微观机理

Key words

3DPC / Organic-based fibers / Mechanical properties / Microscopic mechanism

智能建造作为融合数字化与自动化技术的建造方式，正逐步成为引领建筑业转型升级的关键路径^[1-3]。其核心目标在于通过信息技术与建造技术的深度融合，实现设计、制造与施工过程的自动化与精益化，从而显著提升工程质量、建造效率及施工安全性^[4]。在此背景下，具备自动化成型能力的新型材料体系成为智能建造的重要支撑，其可控性、协同性与集成化特征已引发广泛关注。

3D打印混凝土(3DPC)作为自动化成型材料体系的核心分支，因不需要模板、可快速成型、形状自由、节约材料等优势，在智能建造领域展现出广阔的应用前景^[5]。该技术通过将特制混凝土浆料层层堆积，直接构建构件或结构，实现从设计模型到实体产品的“所见即所得”。目前，3DPC技术已在住宅建造、异形构件制造、灾后应急建筑等场景中实现示范性应用，成为建筑工业化与自动化的典型代表^[6-8]。

传统混凝土设计主要基于骨料级配、水灰比及强度等级进行配比优化，而3DPC设计则强调浆体组成、流变行为调控与构件成型协同，往往舍弃粗骨料，降低骨料占比，同时强化外加剂的使用^[9]。其材料体系更接近砂浆或浆体范畴，属于功能导向型“定制混凝土”。3DPC的设计不仅需满足基础力学性能与工程适应性，还需与打印工艺深度匹配，实现构件打印全过程的稳定、连续与可控，形成材料、工艺与结构一体化的智能建造路径^[10-11]。其中，“可打印性”是决定3DPC能否顺利成型、层间稳定并满足结构功能的核心参数。可打印性既受混凝土自身流变性能的制约，也与打印路径、喷头类型、环境条件等工艺因素密切相关。材料设计与打印工艺之间存在复杂的耦合关系，如何在保证打印稳定性的同时实现早期结构性能与力学性能的协同优化，已成为当前研究的重点。

在3DPC中掺入纤维不仅有助于保障打印稳定性，还能实现早期结构性能与力学性能的协同提升，因此成为研究热点。3DPC中常用的纤维大体可分为无机纤维(如钢纤维、玄武岩纤维)与有机纤维(如聚乙烯纤维、聚丙烯纤维)，两者对改善3DPC性能均具有重要作用。然而，无机纤维脆性大，分散性差，易导致打印过程中流动性降低和层间堵塞；其密度较大，刚性较高，往往增加材料的屈服应力，不利于打印泵送和成型；其对裂缝控制的早期效果不如有机纤维显著^[12-14]。相比之下，有机纤维在改善结构性能与裂缝控制方面表现出更为突出的优势。

相比无机纤维，有机纤维具有明显优势。首先，其具有质轻、柔韧、分散性好的优点，能够在混凝土基体中均匀分布，形成有效的桥联网络，从而显著提升混凝土的抗裂性能和韧性；其次，有机纤维可改善混凝土的流变行为，使其在打印过程中具有更好的可支撑性和形状保持能力，有利于逐层堆叠和复杂结构成型^[15-16]。在早期硬化阶段，有机纤维还能有效分散收缩应力，减少塑性及干缩裂缝的产生，从而提高构件的耐久性和服役可靠性。此外，这类纤维易于加工，掺量可控，可与其他掺合材料协同使用，实现轻质、高韧性、可打印性和耐久性的综合设计要求^[17-20]，因此在3DPC中具有更高的工艺适应性和工程可行性。

关于有机纤维对3DPC性能的增强机理已有较为深入的研究。其主要作用在于纤维在基体中形成均匀分布的“桥联”网络，从而在微裂缝萌生及扩展过程中发挥抑制和延缓作用^[12-14]。这一机制不仅显著提高了混凝土的抗拉强度、抗弯韧性和断裂能，还能有效减少由干缩和温度梯度引起的早期收缩裂缝^[15]。同时，有机纤维通常密度较低，柔韧性良好，能够在不显著增加自重的前提下提升材料的延展性和抗冲击性能^[16]。此外，纤维的加入有助于改善打印过程中层间界面的结合质量，增强构件整体的成型稳定性与耐久性，从而为3DPC结构的安全性与长期服役性能提供保障。

3DPC在实际工程中仍面临力学性能不足、易开裂及收缩变形显著等问题，制约其结构安全性和长期耐久性的提升。尽管已有研究报道了有机纤维在3DPC中的应用，但关于不同类型纤维的作用机理、多尺度增强效应及其与水泥基体界面行为的研究仍缺乏系统梳理与深入总结。因此，综述有机纤维在3DPC中的应用现状、性能调控机制及发展趋势，不仅有助于深化对其增强效果的科学认识，也对推动新型纤维增强3DPC材料的设计优化具有重要意义，为后续3DPC材料体系的性能优化及其在智能建造中的高效应用提供参考。

1 有机纤维

1.1 纤维类型

在3DPC中可引入多种有机纤维。基于文献调研，本文选取了应用较广的4类纤维材料，即聚乙烯(PE)纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维以及天然稻草纤维。图1为4种有机纤维实物。这些纤维通常具备轻质、柔韧及良好分散性等特征，能够在水泥基体中形成均匀的增强网络，从而有效改善3DPC的力学性能与结构稳定性。表1为4种有机纤维性能^[21]。

1.2 纤维掺量

纤维掺量对3DPC性能的改善效果存在显著差异。赵宇等^[22]系统研究PE纤维掺量(体积分数1.0%、1.5%与2.0%)对3DPC性能的影响。结果表明：当PE纤维体积分数为1.0%~2.0%时，纤维掺量的增加显著改善了3DPC的拉伸延性，有效提升了打印过程中的结构稳定性。CHEN等^[23]研究发现，当PP纤维体积分数为0.75%、PVA纤维体积分数为1.00%时，3DPC的弯曲强度分别提高至9.23 MPa与12.72 MPa，表明有机纤维在增强韧性、改善脆性破坏方面具有积极作用。MA等^[24]研究发现，当PP纤维体积分数达到0.3%时，内部相对湿度提高且水分蒸发得到有效抑制，构件总收缩率与质量损失显著降低。康红龙^[25]研究表明，稻草纤维和羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)的最佳掺量分别为胶凝材料质量的3.5%和0.08%时，3DPC条带成型最为均匀平滑，最大建造层数可达15层。陈安国^[26]进一步指出，稻草纤维网络能够承受并传递荷载，降低裂缝扩展速率，显著改善3DPC的热工性能。综上所述，有机纤维的合理掺量是提升3DPC性能的关键因素。在适宜范围内，纤维可显著改善流变特性，增强层间黏结性，提升力学性能与延性，降低收缩裂缝风险，优化热工性能。但掺量过高则可能导致纤维分散不足、打印稳定性下降等不利影响。因此，应针对不同纤维种类和工程需求进一步优化掺量设计，以实现3DPC构件的高性能化与多功能化。

2 有机纤维对3DPC力学性能提升机制

3DPC的力学性能通常低于同配合比的传统浇筑混凝土，同时3DPC可表现出显著的各向异性。因此，提升其整体力学性能及界面结合能力成为当前研究重点。有机纤维的引入可有效改善3DPC的宏观力学指标与微观增强机制，不仅能显著提高抗压、抗弯及层间结合强度，还能缓解由打印工艺引起的各向异性问题^[27]。因此，文章从宏观力学指标和界面结合性能两个层面系统总结有机纤维对3DPC力学性能的提升效果及其作用机制。

2.1 宏观力学指标

2.1.1 抗压强度

有机纤维对3DPC的强度提升具有重要作用。张超等^[28]研究PVA纤维与PP纤维对3DPC性能的影响，发现随着纤维掺量的增加，PVA纤维显著提升了静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度，而PP纤维仅在静态屈服应力方面表现出一定的提升，对动态屈服应力与塑性黏度几乎无影响，但PP纤维在增强抗压强度方面的效果更为突出。陈旭浩等^[29]和李福海等^[30]从多尺度外掺材料协同作用的角度，探讨纳米二氧化硅、碳酸钙晶须与PP纤维对3DPC孔隙结构及各向异性问题的改善机理。图2为纳米级多尺度纤维3DPC混杂机理。三者在提升工作性能和改善各向异性方面表现出互补效应，最佳掺配方案为1.0%纳米二氧化硅、0.2% PP纤维和1.0%碳酸钙晶须(均为体积分数)。在该比例下，不同尺度的外掺材料可逐级填充基体内部纳米至微米级孔隙，提高基体致密性并增强纤维-基体界面黏结性能，使不同尺度的增强单元在受力过程中能够分阶段协同发挥作用，从而显著提升3DPC的整体密实度与力学性能。

韩女等^[31]研究纤维再生细骨料混凝土在3D打印成型后的孔隙结构与力学性能，发现3DPC的抗压强度存在显著各向异性，其中Z轴方向强度最高，Y轴次之，X轴最低，平均孔隙紧密度进一步降低。例如，PE纤维3DPC的紧密度为0.306，表明纤维在一定程度上改变了孔隙结构分布特征，对力学性能的各向异性具有间接影响。综上所述，不同类型纤维在3DPC中的改性作用机理各具特点，PVA纤维显著改善流变性与尺寸稳定性，PP纤维对抗压强度贡献较大，多尺度外掺体系则通过孔隙优化和界面增强实现性能协同提升。纤维不仅拓展了3DPC的功能化调控路径，也为后续实现构件性能的定向优化提供参考。

2.1.2 抗弯拉强度

3DPC在成型过程中不可避免地受打印路径、层间堆叠方式及纤维取向的影响，导致力学性能表现出显著各向异性。研究人员针对纤维掺入对3DPC各向异性力学性能的作用机理进行了系统研究，揭示了纤维类型等因素对抗弯拉强度的差异化影响。

MA等^[32]和YE等^[33]以超高延性混凝土为对象，探讨纤维体积分数(1.0%、1.5%、2.0%)对可加工性与力学各向异性的影响。结果表明：其抗压强度、抗折韧性及破坏模式均存在明显各向异性，纤维体积分数为1.5%的试件在力学性能与可加工性之间实现了最优平衡，经济性较高。单轴拉伸试验进一步表明，较高纤维掺量的打印试件在强度与应变能力上略低于模铸试件。DING等^[34]通过抗弯强度试验研究纤维掺量与长度对各向异性的影响。结果表明：Y与Z方向的抗弯强度最高且接近，X方向强度最低。由于PE纤维未能有效穿过打印层间界面，其对X方向的改善作用有限；当断裂面被更多纤维贯穿时，材料逐渐由脆性失效转变为延性失效。

ZHAO等^[35]进一步研究PP纤维对3DPC工作性能及力学各向异性的作用，发现随着纤维掺量与长度增加，静态与动态屈服应力均有所提升，纤维显著提高3个方向的抗压强度，提高垂直与横向方向上的抗弯强度。BLAZY等^[36]研究不同几何特征合成纤维对混凝土抗弯抗拉性能的影响。结果表明：纤维添加量在2.0~3.0 kg/m³范围内时，抗弯抗拉强度提升幅度为5.5%~13.5%，验证了纤维在提升延性和能量耗散方面的普适性贡献。HASSAN等^[37]采用玻璃纤维增强小尺寸3DPC构件，发现高度定向的纤维显著提高了打印混凝土的抗弯强度和抗压强度，最大值分别达到30.0 MPa和82.3 MPa。

综上所述，纤维的引入对3DPC的力学各向异性具有显著调控作用。不同类型纤维通过取向分布、界面结合等机制在提升抗压、抗弯拉性能的同时改变了打印构件的破坏模式与能量耗散特征。总体来看，适宜的纤维类型不仅能有效改善各向异性问题，还能在加工性与力学性能之间实现平衡，为3DPC在复杂受力环境中的工程应用提供可靠保障。

2.2 结构增强效应

2.2.1 层间增强

3DPC作为一种典型的准脆性材料，受其随机性、非均质性和各向异性等特征影响，在工程应用中普遍存在抗拉强度不足和抗裂性能较差的问题。其力学各向异性主要源于层间条带之间黏结力不足，而打印过程中形成的孔隙进一步加剧了材料的细观非均质性。层间弱面的存在往往导致应力集中，使裂纹在承载过程中更易沿界面扩展，最终削弱结构的整体承载能力与耐久性能^[38]。图3为3DPC结构层间弱面导致的渗水现象。因此，层间结合性能被普遍认为是决定3DPC强度与服役性能的核心因素。

张庆贺等^[39]研究不同层理面强度条件下3DPC的破坏机制，结果显示试件破坏可分为裂纹起裂、延伸和贯穿3个阶段。层理面的存在改变了裂纹扩展路径，使裂纹在跨越层间时不仅需克服张拉强度，还需额外消耗沿层理面扩展的能量。值得注意的是，层理面越弱，裂纹沿界面扩展所需能量越大，从而导致试件峰值荷载增大。PANDA等^[40]在低强度砂浆中加入质量分数为1%的短玻璃纤维。实验结果表明，层间抗拉强度并未显著增强，说明在基体强度过低的情况下，纤维难以充分发挥其桥联和增强作用。

材料体系设计与打印工艺控制对层间结合质量同样至关重要^[41]。早强型水泥体系能加快结构强度发展，有利于提高堆积高度与早期稳定性，但若凝结过快，则可能导致层间黏结不足，截面整体强度下降。为此，可通过表面润湿或再搅拌等工艺措施改善界面黏结。触变型浆体因具有剪切变稀与结构回复特性，可在打印过程中快速固结，确保后续层材料良好的附着与融合。

3DPC在工程应用中面临的核心问题在于层间结合性能不足。其准脆性特征、孔隙缺陷及层理面共同导致了材料的各向异性与力学性能劣化。虽然纤维掺入在一定条件下能改善层间抗裂性能，但效果受基体强度和界面条件制约，难以单独解决层间黏结不足的问题。因此，从材料体系设计与打印工艺优化两方面协同提升界面结合质量，已成为增强3DPC力学性能与服役耐久性的关键途径。

2.2.2 收缩控制

收缩是影响3DPC服役性能与结构稳定性的关键因素之一。由于打印工艺引入的各向异性和孔隙结构差异，3DPC的收缩行为表现出与传统模铸混凝土不同的特征。研究人员普遍通过添加有机纤维来改善材料的收缩与抗裂性能。

MA等^[42]研究PP纤维对3DPC干燥条件下总收缩的影响。未添加纤维时，打印与浇铸试件的总收缩水平相近；添加PP纤维后，浇铸试件的收缩率降低更显著。打印过程中纤维沿打印方向趋于定向排列，导致沿打印方向切割的试件收缩率低于垂直方向；3DPC的总收缩率与纤维取向因子成反比。同时，PP纤维的加入有效提高了内部相对湿度，减缓了水分蒸发，质量损失与总收缩率呈正相关。WANG等^[43]进一步研究PP纤维与PVA纤维对3D打印砂浆收缩的调控机制。当PP纤维体积分数为0.3%时，120 d后收缩率降低约13.8%；相比之下，PVA纤维在体积分数高于0.2%时，120 d收缩率降低约13.3%。总体来看，PVA纤维在改善3D打印砂浆收缩方面表现更为优越。

纤维的加入可通过改善孔隙结构与调控内部湿度来抑制3DPC的收缩。不同类型纤维在收缩控制中的作用机制存在差异，其中PP纤维在降低干燥收缩变形方面具有一定优势，而PVA纤维则在收缩裂缝控制和力学性能保持方面表现更加突出。未来研究可从纤维种类的复合应用、掺量优化及纤维取向控制等角度进一步改善3DPC的收缩控制效果。

3 纤维增强机理与多尺度作用

在3DPC中添加有机纤维能够显著改善材料的力学性能与耐久性，其增强机制体现为多尺度协同作用，包括桥联效应、界面摩擦与拔出、应力再分配与微观钝化、微结构调控及层间结合改善等^[44]。

有机纤维在3DPC中可通过桥联效应显著改善材料的韧性与断裂能。当微裂缝形成时，横跨裂缝的纤维承担部分拉应力，延缓裂缝扩展与贯通，从而提高混凝土的抗脆性破坏能力。同时，纤维-基体界面的摩擦与机械咬合作用在裂缝扩展过程中消耗大量能量，通过纤维拔出或断裂机制增强混凝土的抗冲击性能和抗疲劳寿命。纤维的存在还能改变裂缝尖端应力分布，使局部应力得到再分配，降低应力集中，抑制裂缝扩展或引导裂缝偏转，实现微观钝化，从而改善整体韧性与耐久性。图4为有机纤维微观增强机制。

部分亲水性或经表面改性的纤维(如PVA纤维)能够调控浆体-纤维界面微观结构，促进水化产物沉积与生长，增强界面黏结力与致密性，从而提高材料的长期耐久性。此外，纤维的柔性与良好分散性有助于改善打印过程中层间浆体的机械互锁与黏结，提升层间结合质量，增强结构整体一致性与长期服役性能。在层间弱面存在的情况下，纤维可缓解应力集中，降低裂缝沿界面扩展的风险，优化打印构件的力学各向异性特征。

有机纤维在3DPC中的多尺度增强作用涵盖微裂缝控制、界面摩擦耗能、应力再分配、微观界面致密化及层间结合改善等方面。这些机制协同作用，为提升3DPC的抗脆性、抗裂性及整体力学性能提供参考，也为高性能纤维增强3DPC的材料设计与智能建造应用提供参考。

4 结论

本文系统分析有机纤维在提升3DPC性能方面的作用机制与优势。有机纤维可在基体中形成均匀的桥联网络，显著改善材料的流变性能、层间稳定性、抗裂性、韧性和耐久性，从而使打印过程稳定可控，实现构件早期力学性能的协同优化。有机纤维能够在抑制早期裂缝、增强层间结合及降低打印缺陷方面表现出突出效果。未来，应加强不同类型有机纤维在多尺度增强效应、界面黏结行为及长期耐久性方面的系统研究，以推动纤维增强3DPC材料体系的优化设计及其在智能建造中的高效应用。未来研究应聚焦有机纤维在3DPC中的多尺度增强机制，建立从纤维-基体界面微观行为到宏观结构性能的耦合模型，阐明其对流变性、抗裂性和早期强度的贡献。同时，结合人工智能、大数据与数字孪生技术，开发基于纤维类型与配比优化的智能材料设计平台，实现打印适应性、结构韧性和耐久性的协同提升。此外，通过有机纤维的功能化改性及其与打印工艺的深度集成，有望进一步提升3DPC构件的层间结合性能和长期服役能力，为智能建造体系提供高性能、可持续的材料支撑。

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基金资助

安徽建筑大学科研平台开放课题(AHZPY2022ZR01)

安徽省高等学校科研计划重点项目(2024AH050537)

安徽省质量工程项目(2025jyxm0979)

安徽省教育厅科学研究重点项目(2025AHGXZK31408)