DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-026-00628-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41786871
تاريخ النشر: 2026-03-05
المؤلف: Hou-Qi Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: الابتكارات في الخرسانة ومواد البناء
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة قيود الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد (3DPC) بسبب التعزيز غير الكافي من خلال تقديم تقنية مبتكرة مدمجة ذات فوهتين تسمح بالطباعة المتزامنة للخرسانة وشبكات البوليمر المقوى بالألياف (FRP). أجرى الباحثون سلسلة من الاختبارات الميكانيكية، بما في ذلك اختبارات السحب، والانقسام الشد، واختبارات الانحناء ثلاثية النقاط، لتقييم خصائص الربط بين شبكات FRP والخرسانة، فضلاً عن الأداء العام للهياكل المعززة من 3DPC.
أشارت النتائج إلى تحسين كبير في الخصائص الميكانيكية لألواح 3DPC، حيث زادت قدرة التحمل والانحراف بنحو 41% و552%، على التوالي، عند تعزيزها بشبكات FRP. ومع ذلك، لاحظت الدراسة أيضًا أن وجود الفراغات وتقليل منطقة الاتصال، الناتجة عن عملية الطباعة المتزامنة، أثر سلبًا على الربط بين طبقات الخرسانة المتجاورة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذه التقنية المدمجة تمثل نهجًا واعدًا لتحسين السلامة الهيكلية للخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد من خلال دمج تعزيز الألياف بشكل فعال.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات التي تواجهها طرق البناء التقليدية، بما في ذلك التلوث البيئي، ونقص العمالة، واستهلاك الطاقة العالي. استجابةً لذلك، ظهرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وخاصة الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد (3DPC)، كبديل قابل للتطبيق، حيث تقدم تكاليف عمالة منخفضة ودورات بناء أقصر. ومع ذلك، لا يزال دمج التعزيز في 3DPC يمثل تحديًا كبيرًا، حيث تسمح الطرق التقليدية بإدماج التعزيز بسهولة أكبر أثناء عملية الصب. أظهرت الدراسات السابقة أن شبكات وأشرطة البوليمر المقوى بالألياف (FRP) يمكن أن تعزز الأداء الانحنائي لـ 3DPC، على الرغم من أنه لم يتم تحقيق الطباعة الآلية بالكامل باستخدام FRP بعد.
تقترح الورقة جهازًا مبتكرًا يمكّن من الطباعة المتزامنة للخرسانة وتعزيز FRP باستخدام نظام متعدد الفوهات. يهدف هذا التقدم إلى تصنيع ألواح خرسانية متدرجة وظيفيًا (FGC)، والتي تستخدم مواد متنوعة لتحسين الأداء عبر مكونات هيكلية مختلفة. تستخدم الدراسة تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وتحليل الوزن الحراري (DTG-TG)، للتحقيق في سلوك ترطيب الخرسانة الجيوبوليمرية (GC) والخرسانة المقواة بالألياف (FC). بالإضافة إلى ذلك، يتم تقييم أداء الربط بين شبكة FRP والخرسانة، فضلاً عن الالتصاق بين الطبقات، من خلال اختبارات السحب واختبارات الشد. كما تفحص البحث هياكل المسام للطبقات المطبوعة باستخدام قياس المسام بالزئبق (MIP) والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (μCT)، بهدف تعزيز الفهم وتطبيق FRP المعزز لـ 3DPC.
طرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث تم استخدام التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات المجمعة من تجارب متنوعة. شملت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لمراقبة آثارها على النتائج المعنية.
شمل جمع البيانات استخدام أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية تسهل النمذجة الإحصائية المعقدة، مما يسمح بتقييم العلاقات بين المتغيرات. تم اشتقاق النتائج الرئيسية من اختبار الفرضيات، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05، مما يضمن أن النتائج كانت قوية إحصائيًا. بشكل عام، قدمت الطرق المستخدمة إطارًا شاملاً للتحقيق في الأسئلة البحثية المطروحة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن رؤى مهمة حول خصائص الترطيب والأداء الميكانيكي للخرسانة الجيوبوليمرية القابلة للطباعة (GC) والخرسانة المقواة بالألياف (FC). تشير تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن منتجات الترطيب لـ GC تتكون بشكل أساسي من الهيدروتالسيت، وألومينات الكالسيوم، والمعادن الكربونية، وC-(A)-S-H، مع وجود ذروة رملية ملحوظة تشير إلى بقايا الرماد المتطاير (FA) غير المتفاعلة، خاصة في عينة GC-15.0%. يشير هذا إلى زيادة القلوية عند هذا المحتوى من PSM، مما يحد من الترطيب الإضافي ويرتبط بقمم C-S-H من نوع التوبرموريت الأضعف. في المقابل، تشمل منتجات الترطيب لـ FC الإيترايت (AFt)، وهيدروكسيد الكالسيوم (CH)، والكالسيت، وهلام C-(A)-S-H، حيث يؤثر محتوى HPMC على عملية الترطيب من خلال إبطاء استهلاك CH.
تظهر الاختبارات الميكانيكية، بما في ذلك اختبارات الانحناء ثلاثية النقاط واختبارات الانقسام الشد، أن ألواح 3DPC المعززة بشبكات FRP المرنة تظهر قدرة تحمل وانحراف محسّنة مقارنة بالألواح العادية، مع أعلى أداء لوحظ في التكوينات ذات نسب التعزيز المتزايدة. ومع ذلك، يبدو أن إدخال شبكات FRP المرنة يقلل من قوة الشد بين الطبقات بسبب تقليل منطقة الاتصال وزيادة المسامية، خاصة عند التبديل بين أنواع الخرسانة المختلفة أثناء الطباعة. تكشف تحليلات ارتباط الصورة الرقمية (DIC) عن مراحل متميزة من تركيز الإجهاد وانتشار الشقوق، مما يبرز تأثير المسامية الناتجة عن الشبكة على آليات الفشل. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين تركيبة المواد، وخصائص الترطيب، والأداء الميكانيكي في أنظمة الخرسانة القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
مناقشة
تقدم البحث نظامًا مبتكرًا مدمجًا ذو فوهتين لطباعة الخرسانة المعززة بشبكات البوليمر المقوى بالألياف (FRP). يدمج هذا النظام فوهة إضافية لـ FRP بجانب فوهة طباعة الخرسانة، مما يسمح بالبثق المتزامن للمواد. يتضمن التصميم آلية توجيه لـ FRP ونظام تخزين، مما يمكّن شبكات FRP من أن تكون مدمجة داخل طبقات الخرسانة أثناء الطباعة. ومع ذلك، يقتصر النظام على إدماج FRP في المستوى، مما لا يعالج التحدي الحاسم المتمثل في تعزيز أداء الربط بين الطبقات، حيث لا يسمح بوضع التعزيز عبر واجهات الطبقات. تسهم هذه القيود في زيادة المسامية عند هذه الواجهات، مما قد يهدد المتانة طويلة الأمد للهياكل المطبوعة.
تم إجراء اختبارات ميكانيكية، بما في ذلك اختبارات الانحناء ثلاثية النقاط، واختبارات الانقسام الشد، واختبارات السحب، لتقييم أداء الخرسانة المطبوعة مع FRP المدمج. أشارت النتائج إلى أن إدماج شبكات FRP زاد من المسامية بين الطبقات، مما أثر سلبًا على قوة الربط بين FRP والخرسانة. أدى هذا التدهور في قوة الربط إلى نمط فشل هش يتميز بشقوق سائدة فردية، بدلاً من سلوك متعدد الشقوق أكثر مرونة. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث لمعالجة قضايا الربط بين الطبقات وتحسين السلامة الهيكلية العامة للخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع تعزيز FRP المدمج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-026-00628-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41786871
Publication Date: 2026-03-05
Author(s): Hou-Qi Sun et al.
Primary Topic: Innovations in Concrete and Construction Materials
Overview
This study addresses the limitations of 3D-printed concrete (3DPC) due to inadequate reinforcement by introducing an innovative dual-nozzle in-process embedded technology that allows for the simultaneous printing of concrete and flexible fiber-reinforced polymer (FRP) grids. The researchers conducted a series of mechanical tests, including pull-out, splitting tensile, and three-point bending tests, to evaluate the bonding properties between the FRP grids and the concrete, as well as the overall performance of the reinforced 3DPC structures.
The results indicated a significant enhancement in the mechanical properties of the 3DPC plates, with load-bearing capacity and deflection increasing by approximately 41% and 552%, respectively, when reinforced with the FRP grids. However, the study also noted that the presence of voids and a reduced contact area, resulting from the simultaneous printing process, negatively affected the bonding between adjacent concrete layers. Overall, the findings suggest that this embedded technology presents a promising approach to improve the structural integrity of 3D-printed concrete by effectively incorporating fiber-reinforcement.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the challenges faced by traditional construction methods, including environmental pollution, labor shortages, and high energy consumption. In response, 3D printing technology, particularly 3D-printed concrete (3DPC), has emerged as a viable alternative, offering reduced labor costs and shorter construction cycles. However, the integration of reinforcement in 3DPC remains a significant challenge, as traditional methods allow for easier incorporation of reinforcement during the casting process. Previous studies have shown that fiber-reinforced polymer (FRP) grids and bars can enhance the flexural performance of 3DPC, although fully automated printing with FRP has not yet been achieved.
The paper proposes an innovative device that enables the simultaneous printing of concrete and FRP reinforcement using a multi-nozzle system. This advancement aims to fabricate functional graded concrete (FGC) plates, which utilize varying materials to optimize performance across different structural components. The study employs various analytical techniques, including X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (DTG-TG), to investigate the hydration behavior of geopolymer concrete (GC) and fiber-reinforced concrete (FC). Additionally, bonding performance between the FRP grid and concrete, as well as interlayer adhesion, is assessed through pull-out tests and tensile tests. The research also examines the pore structures of the printed layers using mercury intrusion porosimetry (MIP) and micro-computed tomography (μCT), aiming to enhance the understanding and application of FRP-reinforced 3DPC.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, employing statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity. The analysis was conducted using software tools that facilitated complex statistical modeling, allowing for the assessment of relationships between variables. Key findings were derived from hypothesis testing, with significance levels set at p < 0.05, ensuring that results were statistically robust. Overall, the methods employed provided a comprehensive framework for investigating the research questions posed.
Results
The results of the study reveal significant insights into the hydration characteristics and mechanical performance of printable geopolymer concrete (GC) and fiber-reinforced concrete (FC). X-ray diffraction (XRD) analysis indicates that the hydration products of GC primarily consist of hydrotalcite, calcium aluminate, carbonate minerals, and C-(A)-S-H, with a notable quartz peak indicating unreacted fly ash (FA) residues, particularly in the GC-15.0% sample. This suggests over-alkalization at this PSM content, which limits further hydration and correlates with a weaker tobermorite-type C-S-H peak. In contrast, the hydration products of FC include ettringite (AFt), calcium hydroxide (CH), calcite, and C-(A)-S-H gels, with HPMC content affecting the hydration process by retarding CH consumption.
Mechanical testing, including three-point bending and splitting tensile tests, demonstrates that flexible FRP grid-reinforced 3DPC plates exhibit enhanced load-bearing capacity and deflection compared to plain plates, with the highest performance observed in configurations with increased reinforcement ratios. However, the introduction of flexible FRP grids appears to reduce interlayer tensile strength due to decreased contact area and increased porosity, particularly when switching between different concrete types during printing. Digital image correlation (DIC) analysis of interlayer cracking reveals distinct stages of stress concentration and crack propagation, highlighting the impact of grid-induced porosity on failure mechanisms. Overall, the findings underscore the complex interplay between material composition, hydration characteristics, and mechanical performance in 3D printable concrete systems.
Discussion
The research presents a novel dual-nozzle in-process embedded system for 3D printing concrete reinforced with flexible fiber-reinforced polymer (FRP) grids. This system integrates an additional nozzle for FRP alongside the concrete printing nozzle, allowing for simultaneous extrusion of both materials. The design includes a steering mechanism for the FRP and a storage system, enabling the FRP grids to be embedded within the concrete layers as they are printed. However, the system is limited to in-plane embedding of FRP, which does not address the critical challenge of enhancing interlayer bonding performance, as it does not allow for reinforcement placement across interlayer interfaces. This limitation contributes to increased porosity at these interfaces, potentially compromising the long-term durability of the printed structures.
Mechanical testing, including three-point bending, splitting tensile, and pull-out tests, was conducted to evaluate the performance of the printed concrete with embedded FRP. The results indicated that the incorporation of FRP grids increased interlayer porosity, which negatively affected the bond strength between the FRP and concrete. This degradation in bond strength led to a brittle failure mode characterized by single dominant cracks, as opposed to a more ductile multi-crack behavior. The findings underscore the need for further research to address the interlayer bonding issues and improve the overall structural integrity of 3D-printed concrete with embedded FRP reinforcement.