【原】Constr. Build. Mater.：鋼筋與3D打印混凝土之間的粘結(jié)性能：混凝土流變性能,、鋼筋直徑和漿體涂層的影響

智慧土木 2022-11-04 發(fā)布于廣東

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文獻精讀

Constr. Build. Mater.：鋼筋與3D打印混凝土之間的粘結(jié)性能：混凝土流變性能、鋼筋直徑和漿體涂層的影響

背景介紹

為了滿足不同的施工要求,，各種類型的3D打印混凝土（3DPC）相繼被研發(fā)出來,，而鋼筋又對提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此,，確定出一種能夠與3D打印工藝相協(xié)調(diào)且操作高效,、方便的鋼筋配置策略，可以推進3DPC作為結(jié)構(gòu)材料的實際應(yīng)用,。雖然目前已經(jīng)提出許多種3DPC加固方法,，但是只有傳統(tǒng)的連續(xù)鋼筋加固能夠承受大部分結(jié)構(gòu)和構(gòu)件被施加的荷載,。此外,，與3DPC的流變性和打印工藝密切相關(guān)的層間界面粘結(jié)性能會影響3DPC構(gòu)件的力學(xué)強度和力學(xué)各向異性，故3DPC應(yīng)具有合適的屈服應(yīng)力和塑性粘度來滿足可打印性,。

研究出發(fā)點

由前期研究可知,，直接在3DPC層間布置鋼筋是最方便、最有效的加固方法,，并且已經(jīng)在一些實際工程中得到了應(yīng)用,。不過需要注意的是,，混凝土的流變性會顯著影響鋼筋與3DPC之間的粘結(jié)性能，若二者粘結(jié)不緊密,，則會容易導(dǎo)致鋼筋脫粘以及結(jié)構(gòu)提前發(fā)生失效破壞,。然而，現(xiàn)有的研究僅探討了由傳統(tǒng)澆筑技術(shù)和3D混凝土打印技術(shù)所引起的鋼筋-混凝土之間的粘結(jié)行為,，尚未進一步研究這兩種技術(shù)對鋼筋與具有不同流變性的混凝土之間粘結(jié)性能的影響,。因此，研究與3DPC相關(guān)的各種因素（尤其是流變性能）對鋼筋-混凝土之間粘結(jié)性能的影響有助于3DPC構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計,，從而能夠提高整體結(jié)構(gòu)的可靠性,。該研究通過進行拉拔試驗，系統(tǒng)地分析了帶肋鋼筋直徑和混凝土的流變性對鋼筋-3DPC之間粘結(jié)性能的影響,，并且比較了打印試件與傳統(tǒng)鑄模試件粘結(jié)性能的差異,。

全文速覽

東南大學(xué)-張亞梅課題組研究了制備工藝、混凝土流變性,、鋼筋直徑和漿體涂層對帶肋鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的影響,。由拉拔試驗和X射線計算機斷層掃描（X-CT）試驗的結(jié)果可知，鋼筋-3DPC之間的粘結(jié)強度明顯低于鋼筋-傳統(tǒng)鑄?；炷?，并且新拌混凝土的流變性對3D打印試件的粘結(jié)性能有顯著影響。打印試件和鑄模試件粘結(jié)強度的差距隨著屈服應(yīng)力和塑性粘度的降低而縮小,，而將鋼筋表面覆蓋漿體涂層則會有效提高鋼筋-3DPC之間的粘結(jié)強度,。此外，研究還通過分析鋼筋-混凝土界面處的孔隙結(jié)構(gòu)解釋了二者之間粘結(jié)強度的變化規(guī)律,。結(jié)果表明,，對新拌混凝土的流變性進行優(yōu)化能夠有效控制3DPC質(zhì)量。相關(guān)論文以“Bond behavior between steel bars and 3D printed concrete: Effect of concrete rheological property, steel bar diameter and paste coating”為題,，于2022年發(fā)表在《Construction and Building Materials》,。

圖文解析

（1）新拌性能和打印質(zhì)量

表1 各種混凝土細絲的流動性,、流變學(xué)參數(shù)和寬度的變化規(guī)律

注：SP028,、SP036和SP044的區(qū)別在于減水劑的用量不同，分別為水泥質(zhì)量的0.28%,、0.36%和0.44%

圖1 流變性對3D打印混凝土細絲表面質(zhì)量的影響：（a）SP028,；（b）SP036,；（c）SP044

如表1所示，新拌混凝土的擴展直徑隨著靜置時間的增加而減小,，而靜態(tài)和動態(tài)屈服應(yīng)力則隨著靜置時間的增加而提高,。由此可知，混凝土的流動性參數(shù)與流變性參數(shù)呈負相關(guān),。此外,，通過對比SP028,、SP036和SP044的流動性和流變性參數(shù)可知，混凝土的靜態(tài)和動態(tài)屈服應(yīng)力隨著減水劑用量的增加而下降,。這主要是因為減水劑的加入減小了混凝土內(nèi)部顆粒間的內(nèi)摩擦力,。

如圖1所示，與SP036和SP044相比,，SP028表面存在一些明顯的打印缺陷,。這可能是因為SP028的屈服應(yīng)力和塑性粘度最高，在打印過程中混凝土所需的擠壓力較大,，從而導(dǎo)致打印條帶擠出不連續(xù)以及表面存在缺陷,。

（2）靜態(tài)屈服應(yīng)力和觸變性

圖2 養(yǎng)護28d后不同混凝土的力學(xué)強度：（a）抗彎強度；（b）抗壓強度

圖3 養(yǎng)護28d后鑄?；炷梁?D打印混凝土的劈裂抗拉強度

如圖2所示,，鑄模試件的力學(xué)強度均比較接近且高于打印試件。對于打印試件來說,，力學(xué)強度與混凝土流變性的關(guān)系更加密切,，并且力學(xué)強度隨著屈服應(yīng)力和塑性粘度的提高而降低。從圖中還可以看出,，打印試件具有明顯的力學(xué)各向異性：對于抗彎強度來說,，Y方向>Z方向；對于抗壓強度來說,，X方向>Z方向>Y方向,。這可能是因為打印試件在X和Z方向上受到了上部混凝土施加的自重壓力以及打印噴嘴擠出混凝土?xí)r施加的擠壓力，在一定程度上提高了該方向上混凝土的致密性,；而在Y方向上由于缺乏模板支撐,，導(dǎo)致未受到壓力限制，故抗壓強度稍低,。

如圖3所示,，與抗彎強度和抗壓強度的結(jié)果相似，鑄模試件的劈裂抗拉強度高于打印試件,。對于打印試件來說,，混凝土基體的劈裂抗拉強度高于層間界面處。從圖中還可以看出,，SP028的鑄模試件和打印試件劈裂抗拉強度的差距最大,，層間界面處和混凝土基體的劈裂抗拉強度分別僅為鑄模試件的45.9%和68.8%。由此可知,，打印試件的劈裂抗拉強度與新拌混凝土的流變性密切相關(guān),。

（3）拉拔荷載作用下鋼筋-混凝土之間的粘結(jié)性能

圖4 養(yǎng)護28d后鋼筋與混凝土之間的平均粘結(jié)強度：（a）初始粘結(jié)強度,；（b）極限粘結(jié)強度

如圖4所示,，當采用相同直徑的帶肋鋼筋時,，鑄模試件的極限粘結(jié)強度比較接近，故混凝土的流變性不會顯著影響鋼筋-鑄?；炷林g的粘結(jié)性能,。此外，打印試件的初始粘結(jié)強度和極限粘結(jié)強度均低于鑄模試件,，其中SP036和SP044的降低幅度低于SP028,。由此可知，與澆筑的鋼筋混凝土不同,，混凝土的流變性能夠在一定程度上影響鋼筋-打印混凝土之間的粘結(jié)性能,。

從圖中還可以看出，無論混凝土的制備工藝如何,，鋼筋混凝土的初始和極限粘結(jié)強度均有如下規(guī)律：鋼筋直徑為6 mm>鋼筋直徑為10 mm,。這可能是因為直徑為6 mm的鋼筋肋條高度較低，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的接觸面積和機械咬合力較小,，從而降低了其粘結(jié)強度,。此外，當采用的鋼筋直徑為6 mm時,，SP044和SP036的極限粘結(jié)強度比SP028分別提高了11.4%和19.0%,；當采用的鋼筋直徑為10 mm時，SP044和SP036的極限粘結(jié)強度比SP028分別提高了15.3%和22.6%,。由此可知,，混凝土的流變性對鋼筋（直徑為10 mm）-打印混凝土之間的粘結(jié)性能有更加顯著的影響。這可能是因為直徑為10 mm的鋼筋肋條高度較高,，導(dǎo)致打印噴嘴的相對高度降低,，從而增大了混凝土對鋼筋的擠壓力。

當采用的鋼筋直徑為 6 mm或10 mm時,，鋼筋混凝土的初始和極限粘結(jié)強度均有如下規(guī)律：覆蓋漿體涂層的鋼筋>未覆蓋漿體涂層的鋼筋,。其中對于直徑為6 mm的鋼筋來說，覆蓋漿體涂層后SP028,、SP036和SP044的初始粘結(jié)強度分別提高了47.1%,、18.8%和13.3%，極限粘結(jié)強度分別提高了10.5%,、12.5%和7.40%,；對于直徑為10 mm的鋼筋來說，覆蓋漿體涂層后SP028,、SP036和SP044的初始粘結(jié)強度分別提高了48.4%,、27.6%和37.4%，極限粘結(jié)強度分別提高了21.2%,、19.8%和7.37%,。由此可知,，將鋼筋表面覆蓋漿體涂層能夠同時提高其與混凝土之間的初始粘結(jié)強度和極限粘結(jié)強度，這意味著可以延遲鋼筋的初始滑動時間,。不過需要注意的是,，無論是否將鋼筋表面覆蓋漿體涂層，鋼筋-打印混凝土之間的粘結(jié)強度均低于鋼筋-鑄?；炷?。

（4）鋼筋-混凝土界面周圍的混凝土孔隙率

圖5 各種試件內(nèi)部鋼筋周圍的混凝土平均孔隙率

圖6 通過X-CT分析得到的各種試件內(nèi)部鋼筋周圍的混凝土可視化孔隙分布：（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 制備工藝和漿體涂層對各種試件內(nèi)部平均孔隙率的影響

如圖5和圖6所示,，打印試件內(nèi)部鋼筋周圍的混凝土孔隙率高于鑄模試件，并且SP028,、SP036和SP044的孔隙率比鑄模試件分別提高了80.2%,、60.0%和47.5%。此外,，鑄模試件內(nèi)部鋼筋周圍的混凝土孔隙率比較接近,，而打印試件則呈現(xiàn)出如下規(guī)律：SP028>SP036>SP044。由此可知,，混凝土的流變性對鋼筋-打印混凝土界面周圍的混凝土孔隙率影響較大,，而對鋼筋-鑄模混凝土則影響較小,。

如表2所示,，將鋼筋表面覆蓋漿體涂層可以有效填補鋼筋-混凝土界面周圍的孔隙和缺陷，在一定程度上提高了局部混凝土的致密性,，從而能夠提高其粘結(jié)強度,。此外，將鋼筋表面覆蓋漿體涂層對屈服應(yīng)力和塑性粘度相對較低的SP036和SP044積極作用更加明顯,。

（5）討論與總結(jié)

圖7 （a）鑄模和打印試件的界面孔隙率與靜態(tài)屈服應(yīng)力之間的關(guān)系,；（b）鑄模和打印試件的極限粘結(jié)強度與界面孔隙率之間的關(guān)系

圖8 混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度對極限粘結(jié)強度的影響：（a）抗壓強度；（b）劈裂抗拉強度

注：打印試件的抗壓強度選取自沿X方向加載的試件,，劈裂抗拉強度選取自沿層間界面加載的試件

如圖7所示,，鋼筋-打印混凝土界面周圍的混凝土孔隙率與混凝土的初始靜態(tài)屈服應(yīng)力呈線性正相關(guān)，而混凝土的初始靜態(tài)屈服應(yīng)力對鋼筋-鑄?；炷两缑嬷車幕炷量紫堵蕜t影響較?。〝M合曲線斜率為0.07）。此外，鋼筋-混凝土界面周圍的混凝土孔隙率與極限粘結(jié)強度均呈線性負相關(guān),。這是因為界面處的孔隙減少了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)面積,，在一定程度上減弱了二者之間的咬合作用，從而導(dǎo)致其粘結(jié)強度降低,。

如圖8所示,，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均與其極限粘結(jié)強度呈線性正相關(guān),。

總結(jié)

該研究分析了制備工藝,、混凝土流變性、鋼筋直徑和漿體涂層對鋼筋與打印混凝土之間粘結(jié)性能的影響,。主要結(jié)論如下：

（1）與前期研究結(jié)果類似,，3DPC試件在各個方向上的力學(xué)強度均低于鑄模試件，并且其力學(xué)強度與加載方向和混凝土的流變性相關(guān),。

（2）無論制備工藝和混凝土的流變性如何,，由于直徑較大的鋼筋具有更高的肋條高度，故與混凝土之間的粘結(jié)強度更高,。此外,，混凝土的流變性對直徑較大的鋼筋與打印混凝土之間的粘結(jié)性能有更加顯著的影響。

（3）鋼筋-混凝土界面周圍的混凝土孔隙率取決于混凝土的流變性和制備工藝：具有較低屈服應(yīng)力和塑性粘度的打印混凝土在鋼筋-混凝土界面周圍的致密性更高,；將鋼筋表面覆蓋漿體涂層可以有效填補鋼筋-打印混凝土界面周圍的孔隙和缺陷,，從而減小界面處的混凝土孔隙率。

（4）鋼筋-混凝土界面周圍的混凝土孔隙率與極限粘結(jié)強度均呈線性負相關(guān),。

研究結(jié)果表明,，新拌混凝土的流變性能夠顯著影響鋼筋與打印混凝土之間的粘結(jié)性能。因此,，優(yōu)化3D打印新拌混凝土的流變性對于控制3D打印鋼筋混凝土的質(zhì)量具有重要意義,。

本期編者簡介

翻譯：

耿松源博士生深圳大學(xué)

審核：