文献精读
Cem. Concr. Compos.：3D打印永久模板与后浇混凝土的界面粘结性能
背景介绍
近年来，3D混凝土打印（3DCP）的实际应用逐渐从非承重围护结构向承重结构转变。由于缺乏相关的设计标准，大多数情况下会利用3D打印技术制作混凝土永久模板来确保结构具有一定的承载能力。放置在模板内部的钢筋笼可以参考现有的规范进行设计，并且永久模板还能够同时避免传统模板制备工艺的缺点（如污染大、经济效益低）。因此，3D打印永久模板（3DPPF）技术有望促进3DCP在结构工程领域的应用。
研究出发点
3DPPF结构的性能取决于模板与后浇混凝土之间的界面粘结性能，而界面粘结性能主要受到模板的边界效应影响。当结构暴露在外部荷载下时，模板容易产生脱粘、剪切滑动以及剥落损伤等。从力学角度来看，界面脱粘失效主要是由混凝土收缩和结构承受外部荷载时所产生的垂直于界面的拉应力所引起的，而剪切滑移破坏则主要是由结构承受外部荷载时所产生的平行于界面的剪应力所引起的。打印模板的破坏和剥落会大大降低整个结构的安全性和耐久性。因此，从宏观和微观的角度了解界面变形和失效机理，对优化由3DPPF制备的承重结构具有重要意义。该研究以3DPPF层高（△h）和养护龄期（△t）为影响变量，探讨了3DPPF与后浇混凝土之间的界面粘结性能。研究结论可以为改进打印结构的协同工作机制以及促进3DCP技术的结构应用提供理论和试验参考。
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河北工业大学-马国伟课题组提出利用3D打印混凝土作为永久模板快速制备钢筋混凝土结构预制构件，是将3D打印与传统施工技术有机结合的一种很有前景的方法。3DPPF与后浇混凝土之间的界面粘结性能对3D打印结构保持良好的力学性能至关重要。全文首先以3DPPF的△h（10 mm、15 mm、20 mm）和△t（1d、3d、7d、14d）为变量，研究了其对粘结界面劈裂和剪切性能的影响。其次，采用了计算机断层扫描（CT）来可视化界面区域以及量化孔隙特征。研究过程中检测了界面的微观结构和水化产物，并且展示了界面过渡区的梯度结构。最后，建立了粘结界面抗剪强度的塑性极限分析力学模型。研究结果表明，当△h=20 mm时，界面的粘结性能最优。此外，建议在3DPPF固化7d后再向内部浇筑混凝土。相关论文以“Interfacial bonding properties of 3D printed permanent formwork with the post-casted concrete”为题，于2022年发表在《Cement and Concrete Composites》。
图文解析
（1）3DPPF与后浇混凝土之间的界面粘结性能
图1 试件的劈裂抗拉强度：（a）△h=10 mm（b）△h=15 mm（c）△h=20
图2 试件的抗剪强度：（a）△h=10 mm（b）△h=15 mm（c）△h=20 mm
如图1所示，粘结界面的劈裂抗拉强度（ft）随着△t的增加呈现出先提高后降低的趋势，其中△t=7d时的ft最高。当△h=10 mm时，H10D7的ft为1.21 MPa，比H10D1和H10D3分别高80.6%和33.0%；当△h=20 mm时，H20D7的ft为1.33 MPa，比H20D1和H20D3分别高146.3%和44.6%。然而，不论△h如何，△t=14d时的ft总是低于△t=7d时的ft。由图可知，与H15D7相比，H15D14的ft降低了11.2%。此外，△h对粘结界面的劈裂性能影响较小，其影响程度随着△t的增加而减小。
如图2所示，粘结界面的抗剪强度（fτ）随着△t的增加呈现出先提高后降低的趋势，其中△t=7d时的fτ最高。当△h=10 mm时，H10D7的fτ为1.63 MPa，比H10D1和H10D3分别高98.8%和66.3%；当△h=15 mm时，H15D7的fτ为1.98 MPa，比H15D1和H15D3分别高102.0%和78.4%；当△h=20 mm时，H20D7的fτ为2.82 MPa，比H20D1和H20D3分别高91.8%和83.1%。然而，不论△h如何，△t=14d时的fτ总是低于△t=7d时的fτ。由图可知，与H15D7相比，H15D14的fτ降低了11.1%。此外，△h对粘结界面的剪切性能影响比△t更加显著。无论△t如何，△h=20 mm时的粘结界面剪切性能最优。
（2）粘结界面的细观结构
图3 H10D1的CT重建结果：（a）3D视图（b）X-Y截面切片（c）Y-Z截面切片（d）X-Z截面切片
图4 H10D3的CT重建结果：（a）3D视图（b）X-Y截面切片（c）Y-Z截面切片（d）X-Z截面切片
图5 H20D7的CT重建结果：（a）3D视图（b）X-Y截面切片（c）Y-Z截面切片（d）X-Z截面切片
图6 H20D14的CT重建结果：（a）3D视图（b）X-Y截面切片（c）Y-Z截面切片（d）X-Z截面切片
图7 试件粘结界面处的孔隙分布：（a）△h=10 mm（b）△h=15 mm（c）△h=20 mm
图8 试件粘结界面处的孔隙率：（a）中孔（≤1 mm）（b）大孔（>1 mm
如图3所示，对于H10D1来说，从X-Y截面切片中可以看出模板边界处有一条明显的深灰色线条，这可能是由后浇混凝土渗水所引起的。从Y-Z截面切片中可以看出，边缘凹凸不平的模板与后浇混凝土在骨料填充较少的间隔处互相联锁。从X-Z截面切片中可以看出，由于△h较小导致界面比较光滑，从而减弱了粗骨料的填充作用。
如图4所示，对于H15D3来说，从X-Y截面切片中不能清晰地看出模板边界。从Y-Z截面切片中可以看出，粗骨料较好地嵌入至打印层的内凹处，形成了界面啮合力。从X-Z截面切片中可以看出，当△h=15 mm时，界面处间隔较大，从而增强了粗骨料的填充作用。
如图5所示，对于H20D7来说，从X-Y截面切片中无法识别模板边界。从Y-Z截面切片中可以看出，随着模板边缘凹凸不平的程度增加，粗骨料能够更好地嵌入至打印层的内凹处，从而增强了联锁效应。从X-Z截面切片中可以看出，粗骨料的填充作用明显增强。
如图6所示，H20D14与H20D7的细观结构比较相似。
如图7所示，△t为1d和3d时的界面孔隙率明显高于△t为7d和14d时。从图中还可以看出，H10D1的孔隙率最高，H20D7的孔隙率最低，这与力学试验结果保持一致。
如图8所示，界面的中孔（≤1 mm）和大孔（>1 mm）孔隙率均随着△h的增加而降低。对于中孔来说，当△t=7d时，H20D7的孔隙率比H10D7和H15D7分别低31%和24%。此外，中孔孔隙率随着△t的增加呈现出先降低后提高的趋势，其中在△t=7d时最低。当△h=15 mm时，H15D7的中孔孔隙率比H15D1和H15D3分别低48%和46%，而H15D14却比H15D7提高了28%。对于大孔来说，孔隙率随着△t的增加而逐渐降低，并且不同△h的孔隙率在△t较小时差别较大，在△t较大时差别逐渐缩小。
（3）粘结界面的微观表征
图9 试件粘结界面处的微观结构：（a）△t=1d（b）△t=3d（c）△t=7d（d）△t=14d
如图9（a）所示，当△t=1d时，能够明显观察到模板与后浇混凝土之间的粘结界面，并且在界面处存在许多肉眼可见的微小裂缝。此外，界面处只有少量的絮状和颗粒状的C-S-H凝胶、CH、AFt，不足以弥补孔隙缺陷。由于△t=1d时混凝土的水灰比较大，故此时产生的水膜能够在一定程度上阻碍模板与后浇混凝土之间的水化作用。
如图9（b）所示，当△t=3d时，模板与后浇混凝土之间的粘结界面更加牢固，没有观察到明显的微小裂缝。此时界面处存在更多的絮状和颗粒状的C-S-H凝胶、CH、AFt，并且C-S-H凝胶和CH相互连接来填充裂缝。
如图9（c）所示，当△t=7d时，模板与后浇混凝土之间的粘结界面具有较高的密实度。此时界面处存在大量的絮状和颗粒状的C-S-H凝胶、CH、AFt，从而填补了孔隙缺陷。
如图9（d）所示，当△t=14d时，在模板与后浇混凝土之间的粘结界面处，仍然能观察到大量AFt对孔隙缺陷进行填充的现象以及C-S-H凝胶、CH对界面的粘附作用。
（4）粘结界面抗剪强度的塑性极限分析
图10 试件抗剪强度的试验值和理论值：（a）△t=14d（b）△t=1d（c）△t=3d（d）△t=7d
图11 修正系数与养护龄期之间的相关性及其拟合结果
该研究在塑性极限分析的基础上，得到了粘结界面抗剪强度的理论公式（1）（修正前）：
其中，τ1指修正前粘结界面的抗剪强度理论值（MPa）；τ0指粘结界面的抗剪强度试验值（MPa）；ft1指3DPPF的抗拉强度（1.71 MPa）；ft2指后浇混凝土的抗拉强度（2.09 MPa）；fc指后浇混凝土的抗压强度（34.67 MPa）；k2指速度衰减系数，可以根据公式（2）和τ0计算得到。该研究考虑采用△t=14d时的τ0来计算k2。由图10（a）可知，H10D14、H15D14和H20D14的τ0分别为1.28 MPa、1.76 MPa和2.34 MPa，代入公式（2）后得到其k2分别为0.472、0.399和0.312。再将k2代入公式（1）后可以得到τ1，如图10（a）所示。从图中可以看出，试验值和理论值之间存在显著差异，这可能是由3D打印的特殊材料和工艺所引起的。因此，该研究提出了一个校正系数α来提高理论预测的精度，见公式（3）：
其中，△t指养护龄期；τ0△t指养护龄期为△t时的抗剪强度试验值；τ△t指养护龄期为△t时修正前的抗剪强度理论值；τ2指修正后粘结界面的抗剪强度理论值（MPa）。由公式（3）计算出△t为1d、3d、7d和14d时的α分别为0.831、0.507、0.572和1.001。再将α代入公式（4）后可以得到τ2，如图10所示。从图中可以看出，修正后粘结界面的抗剪强度理论值与试验值基本保持一致。此外，α与△t可以拟合成为函数方程（公式（5）），如图11所示。
总结
该研究对3D打印永久模板（3DPPF）与后浇混凝土之间的界面粘结性能进行了测试及评价。主要得到以下结论：
（1）3DPPF层高（△h）能够显著影响粘结界面的剪切性能，而其边缘凹凸不平的程度则对劈裂性能影响较小。因此，增加△h可以提高粘结界面的抗剪强度。此外，粘结界面的劈裂抗拉强度主要取决于粗骨料嵌入至打印层内凹处的程度。
（2）3DPPF的养护龄期（△t）对粘结界面的劈裂和剪切性能均有显著影响。研究结果表明，H20D7的界面劈裂抗拉强度（ft）和抗剪强度（fτ）均最高。因此，建议采用△h=20 mm的3DPPF在养护7d后向内部浇筑混凝土。
（3）由计算机断层扫描（CT）结果可知，当△h保持不变时，界面处的孔隙率随着△t的增加呈现出先减小后增加的趋势。当△t保持不变时，界面处的孔隙率随着△h的增加而降低。此外，研究还证明了早期在界面处存在“水膜”，从而削弱了界面之间的相互作用。
（4）采用扫描电子显微镜（SEM）表征了界面的微观结构，并且提出了3D打印材料界面过渡区的渐进结构模型。
（5）基于塑性极限分析，推导出了粘结界面抗剪强度的理论公式。此外，还结合试验值和理论值提出了养护龄期系数α对理论公式进行修正，从而得到了适用于3D打印的理论计算公式。研究结果表明，界面抗剪强度修正值与试验值之间具有良好的一致性。
该研究主要关注了界面粘结性能，以此来验证3D打印混凝土作为结构或构件永久模板的可行性。界面区域的协调收缩行为对粘结性能的影响有待进一步研究，通过更深入的分析来揭示其粘结机理。此外，还需要采取有效的加固方法来改善模板与内部混凝土在外部荷载作用下所产生的变形，从而能够保证由3DPPF制备的结构或构件具有良好的完整性。
本期编者简介
翻译：
耿松源 博士生 深圳大学
审核：
罗盛禹 硕士生 深圳大学
排版：
罗盛禹 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://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104457
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