A novel approach to improve the interlayer performance of 3D printed concrete

Abstract

3D printed concrete (3DPC) is an emerging digital construction technology that allows the automated fabrication of cementitious elements without formwork. Despite its benefits, the technology is inherently limited by poor interlayer bonding, also known as cold joints, leading to mechanical anisotropy and premature failure in flexural and shear loads. Current strategies of bond enhancement including wet surface treatment or mechanical reinforcement usually interfere with process automation or disrupt volume stability. This research proposes a fundamentally unique interlayer engineering approach: the targeted, moisture-free application of dry-powder supplementary cementitious materials (SCMs) between layers. A novel in-line electrostatic coating system was combined with a 3D printer to spray fine SCM particles, Silica Fume (SF), Metakaolin (MK), Class F Fly Ash (FA) and Ground Granulated Blast-furnace Slag (GGBS) directly onto each individual freshly printed layer. In this technique, the shear-induced lubrication layer of the extruded filament is reconsidered as a reactive carrier, with localized pozzolanic and hydraulic chemical welding of the interface triggered by transient surface moisture. The research was carried out in a staged progression from manual validation into fully automated in-line implementation of 100 and 200 g/m2 dosages. Mechanical evaluations perpendicular to the layer interfaces revealed significant enhancements across all treatment series, though with distinct performance trajectories. Automated FA deposition at 200 g/m2 achieved a 67.1% increase in compressive strength and a 39.4% increase in flexural capacity at 56 days compared to untreated controls. Non-destructive ultrasonic pulse velocity (UPV) monitoring corroborated these findings, showing a transition in structural quality grading from “Poor” (<3000 m/s) to “Good” (>3500 m/s) across all 200 g/m2 automated treated specimens. Microstructural analysis via SEM/EDS confirmed the chemical welding mechanism, identifying a stoichiometric transformation at the bond line where the atomic Ca/Si ratio was significantly reduced. This shift from 3.33 in control group to 1.84 in the FA series signals the successful conversion of brittle, non-binding portlandite into structural calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gels. The research further identifies a critical strength-shrinkage trade-off. While high-reactivity modifiers like FA and SF provided the most substantial mechanical gains, they intensified capillary tension within the refined pore structure, leading to increased drying shrinkage. Conversely, MK and GGBS emerged as balanced modifiers; MK achieved a 14% reduction in shrinkage compared to the control by effectively sealing the interface and slowing internal moisture loss. These results establish a materials-based framework for the rational selection of interlayer modifiers based on specific structural or environmental requirements. By shifting from passive layering to active interfacial engineering, this work provides a scalable pathway for the industrial adoption of structurally reliable and dimensionally stable 3D-printed infrastructure.

3D басып шығарылған бетон (3DPC) — қалыпсыз цементтік элементтерді автоматтандырылған өндіруге мүмкіндік беретін перспективті цифрлық құрылыс технологиясы. Технологияның артықшылықтарына қарамастан, ол қабатаралық нашар байланыспен, яғни суық жіктермен шектеледі, бұл механикалық анизотропияға және иілу мен кесу жүктемелері кезінде мерзімінен бұрын бұзылуға алып келеді. Байланысты күшейтудің қолданыстағы стратегиялары — ылғалды беттік өңдеу немесе механикалық арматуралау — процесті автоматтандыруға кедергі келтіреді немесе көлемдік тұрақтылықты бұзады. Бұл зерттеу іргелі жаңа қабатаралық инженерлік тәсілді ұсынады: қабаттар арасына кептірілген ұнтақ түріндегі қосымша цементтік материалдарды (ҚЦМ) нысаналы, ылғалсыз жағу. Жаңа желілік электростатикалық жабу жүйесі 3D принтермен біріктіріліп, жіңішке ҚЦМ бөлшектері: Кремнеземдық Шаң (КШ), Метакаолин (МК), F класс Күл Шаңы (ҚШ) және Ұсақталған Түйіршіктелген Домна Шлагы (ҰТДШ), жаңадан басып шығарылған әрбір қабатқа тікелей бүркілді. Бұл тәсілде экструдталған жіпшенің сығу нәтижесінде пайда болатын майлау қабаты реакциялық тасымалдаушы ретінде қайта бағаланады; интерфейстің жергілікті пуццолан және гидравликалық химиялық пісіру процесі беттік өтпелі ылғалмен іске қосылады. Зерттеу қолмен тексеруден 100 және 200 г/м² дозалардың толық автоматтандырылған желілік енгізуіне дейінгі кезеңдік дамуды қамтыды. Қабат аралығына перпендикуляр механикалық бағалаулар барлық өңдеу серияларында айтарлықтай жетілдірулерді анықтады, бірақ өнімділік траекториялары әртүрлі болды. 200 г/м² дозасында автоматтандырылған ҚШ шөгіндісі бақылауға алынбаған үлгілермен салыстырғанда 56 күнде қысым беріктігінің 67,1%-ға және иілу қабілетінің 39,4%-ға артуына қол жеткізді. Бұзбайтын ультрадыбыстық импульс жылдамдығын (ҰИЖ) мониторингілеу бұл нәтижелерді растады: 200 г/м² дозасында автоматтандырылған өңдеуден өткен барлық үлгілерде құрылымдық сапа бағалауы «Нашар» (&lt;3000 м/с) деңгейінен «Жақсы» (&gt;3500 м/с) деңгейіне ауысты. СЭМ/ЭДС арқылы микроқұрылымдық талдау химиялық пісіру механизмін растады: байланыс сызығында Ca/Si атомдық қатынасының айтарлықтай төмендеуі байқалатын стехиометриялық өзгерістер анықталды. Бақылау тобында 3,33-тен ҚШ сериясында 1,84-ке ауысу сынғыш, байланыстырылмайтын портландиттің құрылымдық кальций-силикат-гидрат (C-S-H) гельдеріне сәтті айналғанын білдіреді. Зерттеу сонымен қатар беріктік пен шөгу арасындағы маңызды тәуелділікті анықтады. ҚШ және КШ сияқни жоғары реакциялы модификаторлар ең айтарлықтай механикалық жетістіктерді қамтамасыз еткен болса да, олар нақталған кеуек құрылымындағы капиллярлық кернеуді күшейтіп, кептіру кезінде шөгуді арттырды. Керісінше, МК мен ҰТДШ теңгерімді модификаторлар ретінде бой көрсетті; МК интерфейсті тиімді тығыздап, ішкі ылғал жоғалтуды баяулата отырып, бақылаумен салыстырғанда шөгуді 14%-ға азайтты. Бұл нәтижелер нақты құрылымдық немесе экологиялық талаптарға сүйене отырып, қабатаралық модификаторларды ұтымды таңдауға арналған материалдар негізіндегі шеңберді белгілейді. Пассивті қабаттаудан белсенді аралық инженерияға ауысу арқылы бұл жұмыс өнеркәсіптік масштабта конструктивті сенімді және өлшемдік тұрақты 3D басып шығарылған инфрақұрылымды енгізудің кеңейтілетін жолын ашады.