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文献精读 Constr. Build. Mater.：钢筋与3D打印混凝土之间的粘结性能：混凝土流变性能、钢筋直径和浆体涂层的影响  背景介绍 为了满足不同的施工要求，各种类型的3D打印混凝土（3DPC）相继被研发出来，而钢筋又对提高混凝土结构的承载能力和稳定性至关重要。因此，确定出一种能够与3D打印工艺相协调且操作高效、方便的钢筋配置策略，可以推进3DPC作为结构材料的实际应用。虽然目前已经提出许多种3DPC加固方法，但是只有传统的连续钢筋加固能够承受大部分结构和构件被施加的荷载。此外，与3DPC的流变性和打印工艺密切相关的层间界面粘结性能会影响3DPC构件的力学强度和力学各向异性，故3DPC应具有合适的屈服应力和塑性粘度来满足可打印性。 研究出发点 由前期研究可知，直接在3DPC层间布置钢筋是最方便、最有效的加固方法，并且已经在一些实际工程中得到了应用。不过需要注意的是，混凝土的流变性会显著影响钢筋与3DPC之间的粘结性能，若二者粘结不紧密，则会容易导致钢筋脱粘以及结构提前发生失效破坏。然而，现有的研究仅探讨了由传统浇筑技术和3D混凝土打印技术所引起的钢筋-混凝土之间的粘结行为，尚未进一步研究这两种技术对钢筋与具有不同流变性的混凝土之间粘结性能的影响。因此，研究与3DPC相关的各种因素（尤其是流变性能）对钢筋-混凝土之间粘结性能的影响有助于3DPC构件的优化设计，从而能够提高整体结构的可靠性。该研究通过进行拉拔试验，系统地分析了带肋钢筋直径和混凝土的流变性对钢筋-3DPC之间粘结性能的影响，并且比较了打印试件与传统铸模试件粘结性能的差异。 全文速览 东南大学-张亚梅课题组研究了制备工艺、混凝土流变性、钢筋直径和浆体涂层对带肋钢筋与混凝土之间粘结性能的影响。由拉拔试验和X射线计算机断层扫描（X-CT）试验的结果可知，钢筋-3DPC之间的粘结强度明显低于钢筋-传统铸模混凝土，并且新拌混凝土的流变性对3D打印试件的粘结性能有显著影响。打印试件和铸模试件粘结强度的差距随着屈服应力和塑性粘度的降低而缩小，而将钢筋表面覆盖浆体涂层则会有效提高钢筋-3DPC之间的粘结强度。此外，研究还通过分析钢筋-混凝土界面处的孔隙结构解释了二者之间粘结强度的变化规律。结果表明，对新拌混凝土的流变性进行优化能够有效控制3DPC质量。相关论文以“Bond behavior between steel bars and 3D printed concrete: Effect of concrete rheological property, steel bar diameter and paste coating”为题，于2022年发表在《Construction and Building Materials》。 图文解析 （1）新拌性能和打印质量 表1 各种混凝土细丝的流动性、流变学参数和宽度的变化规律  注：SP028、SP036和SP044的区别在于减水剂的用量不同，分别为水泥质量的0.28%、0.36%和0.44%  图1 流变性对3D打印混凝土细丝表面质量的影响：（a）SP028；（b）SP036；（c）SP044 如表1所示，新拌混凝土的扩展直径随着静置时间的增加而减小，而静态和动态屈服应力则随着静置时间的增加而提高。由此可知，混凝土的流动性参数与流变性参数呈负相关。此外，通过对比SP028、SP036和SP044的流动性和流变性参数可知，混凝土的静态和动态屈服应力随着减水剂用量的增加而下降。这主要是因为减水剂的加入减小了混凝土内部颗粒间的内摩擦力。 如图1所示，与SP036和SP044相比，SP028表面存在一些明显的打印缺陷。这可能是因为SP028的屈服应力和塑性粘度最高，在打印过程中混凝土所需的挤压力较大，从而导致打印条带挤出不连续以及表面存在缺陷。 （2）静态屈服应力和触变性  图2 养护28d后不同混凝土的力学强度：（a）抗弯强度；（b）抗压强度  图3 养护28d后铸模混凝土和3D打印混凝土的劈裂抗拉强度 如图2所示，铸模试件的力学强度均比较接近且高于打印试件。对于打印试件来说，力学强度与混凝土流变性的关系更加密切，并且力学强度随着屈服应力和塑性粘度的提高而降低。从图中还可以看出，打印试件具有明显的力学各向异性：对于抗弯强度来说，Y方向>Z方向；对于抗压强度来说，X方向>Z方向>Y方向。这可能是因为打印试件在X和Z方向上受到了上部混凝土施加的自重压力以及打印喷嘴挤出混凝土时施加的挤压力，在一定程度上提高了该方向上混凝土的致密性；而在Y方向上由于缺乏模板支撑，导致未受到压力限制，故抗压强度稍低。 如图3所示，与抗弯强度和抗压强度的结果相似，铸模试件的劈裂抗拉强度高于打印试件。对于打印试件来说，混凝土基体的劈裂抗拉强度高于层间界面处。从图中还可以看出，SP028的铸模试件和打印试件劈裂抗拉强度的差距最大，层间界面处和混凝土基体的劈裂抗拉强度分别仅为铸模试件的45.9%和68.8%。由此可知，打印试件的劈裂抗拉强度与新拌混凝土的流变性密切相关。 （3）拉拔荷载作用下钢筋-混凝土之间的粘结性能  图4 养护28d后钢筋与混凝土之间的平均粘结强度：（a）初始粘结强度；（b）极限粘结强度 如图4所示，当采用相同直径的带肋钢筋时，铸模试件的极限粘结强度比较接近，故混凝土的流变性不会显著影响钢筋-铸模混凝土之间的粘结性能。此外，打印试件的初始粘结强度和极限粘结强度均低于铸模试件，其中SP036和SP044的降低幅度低于SP028。由此可知，与浇筑的钢筋混凝土不同，混凝土的流变性能够在一定程度上影响钢筋-打印混凝土之间的粘结性能。 从图中还可以看出，无论混凝土的制备工艺如何，钢筋混凝土的初始和极限粘结强度均有如下规律：钢筋直径为6 mm>钢筋直径为10 mm。这可能是因为直径为6 mm的钢筋肋条高度较低，导致钢筋与混凝土之间的接触面积和机械咬合力较小，从而降低了其粘结强度。此外，当采用的钢筋直径为6 mm时，SP044和SP036的极限粘结强度比SP028分别提高了11.4%和19.0%；当采用的钢筋直径为10 mm时，SP044和SP036的极限粘结强度比SP028分别提高了15.3%和22.6%。由此可知，混凝土的流变性对钢筋（直径为10 mm）-打印混凝土之间的粘结性能有更加显著的影响。这可能是因为直径为10 mm的钢筋肋条高度较高，导致打印喷嘴的相对高度降低，从而增大了混凝土对钢筋的挤压力。 当采用的钢筋直径为 6 mm或10 mm时，钢筋混凝土的初始和极限粘结强度均有如下规律：覆盖浆体涂层的钢筋>未覆盖浆体涂层的钢筋。其中对于直径为6 mm的钢筋来说，覆盖浆体涂层后SP028、SP036和SP044的初始粘结强度分别提高了47.1%、18.8%和13.3%，极限粘结强度分别提高了10.5%、12.5%和7.40%；对于直径为10 mm的钢筋来说，覆盖浆体涂层后SP028、SP036和SP044的初始粘结强度分别提高了48.4%、27.6%和37.4%，极限粘结强度分别提高了21.2%、19.8%和7.37%。由此可知，将钢筋表面覆盖浆体涂层能够同时提高其与混凝土之间的初始粘结强度和极限粘结强度，这意味着可以延迟钢筋的初始滑动时间。不过需要注意的是，无论是否将钢筋表面覆盖浆体涂层，钢筋-打印混凝土之间的粘结强度均低于钢筋-铸模混凝土。 （4）钢筋-混凝土界面周围的混凝土孔隙率  图5 各种试件内部钢筋周围的混凝土平均孔隙率  图6 通过X-CT分析得到的各种试件内部钢筋周围的混凝土可视化孔隙分布：（a）SP028-Cast-10R；（b）SP036-Cast-10R；（c）SP028-Printed-10R；（d）SP036-Printed-10R；（e）SP028-Printed-10R-C；（f）SP036-Printed-10R-C  表2 制备工艺和浆体涂层对各种试件内部平均孔隙率的影响 如图5和图6所示，打印试件内部钢筋周围的混凝土孔隙率高于铸模试件，并且SP028、SP036和SP044的孔隙率比铸模试件分别提高了80.2%、60.0%和47.5%。此外，铸模试件内部钢筋周围的混凝土孔隙率比较接近，而打印试件则呈现出如下规律：SP028>SP036>SP044。由此可知，混凝土的流变性对钢筋-打印混凝土界面周围的混凝土孔隙率影响较大，而对钢筋-铸模混凝土则影响较小。 如表2所示，将钢筋表面覆盖浆体涂层可以有效填补钢筋-混凝土界面周围的孔隙和缺陷，在一定程度上提高了局部混凝土的致密性，从而能够提高其粘结强度。此外，将钢筋表面覆盖浆体涂层对屈服应力和塑性粘度相对较低的SP036和SP044积极作用更加明显。 （5）讨论与总结  图7 （a）铸模和打印试件的界面孔隙率与静态屈服应力之间的关系；（b）铸模和打印试件的极限粘结强度与界面孔隙率之间的关系  图8 混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度对极限粘结强度的影响：（a）抗压强度；（b）劈裂抗拉强度 注：打印试件的抗压强度选取自沿X方向加载的试件，劈裂抗拉强度选取自沿层间界面加载的试件 如图7所示，钢筋-打印混凝土界面周围的混凝土孔隙率与混凝土的初始静态屈服应力呈线性正相关，而混凝土的初始静态屈服应力对钢筋-铸模混凝土界面周围的混凝土孔隙率则影响较小（拟合曲线斜率为0.07）。此外，钢筋-混凝土界面周围的混凝土孔隙率与极限粘结强度均呈线性负相关。这是因为界面处的孔隙减少了钢筋与混凝土之间的粘结面积，在一定程度上减弱了二者之间的咬合作用，从而导致其粘结强度降低。 如图8所示，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均与其极限粘结强度呈线性正相关。 总结 该研究分析了制备工艺、混凝土流变性、钢筋直径和浆体涂层对钢筋与打印混凝土之间粘结性能的影响。主要结论如下： （1）与前期研究结果类似，3DPC试件在各个方向上的力学强度均低于铸模试件，并且其力学强度与加载方向和混凝土的流变性相关。 （2）无论制备工艺和混凝土的流变性如何，由于直径较大的钢筋具有更高的肋条高度，故与混凝土之间的粘结强度更高。此外，混凝土的流变性对直径较大的钢筋与打印混凝土之间的粘结性能有更加显著的影响。 （3）钢筋-混凝土界面周围的混凝土孔隙率取决于混凝土的流变性和制备工艺：具有较低屈服应力和塑性粘度的打印混凝土在钢筋-混凝土界面周围的致密性更高；将钢筋表面覆盖浆体涂层可以有效填补钢筋-打印混凝土界面周围的孔隙和缺陷，从而减小界面处的混凝土孔隙率。 （4）钢筋-混凝土界面周围的混凝土孔隙率与极限粘结强度均呈线性负相关。 研究结果表明，新拌混凝土的流变性能够显著影响钢筋与打印混凝土之间的粘结性能。因此，优化3D打印新拌混凝土的流变性对于控制3D打印钢筋混凝土的质量具有重要意义。 本期编者简介 翻译： 耿松源 博士生 深圳大学 审核： 程博远 博士生 深圳大学 排版： 颜文韬 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.conbuildmat.2022.128708 |
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