摘要
为解决直接插入钢筋增强3D打印混凝土技术中的空隙问题，提出了原位涂层技术.分别使用自密实砂浆与超细灌浆水泥作为原位涂层材料，制备了原位涂层钢筋增强3D打印混凝土，研究了钢筋在混凝土中的拉拔性能.结果表明：使用水泥基材料对钢筋进行原位涂层，可以得到密实的钢筋-混凝土界面，与直接插入技术相比，拉拔强度得到了最大345.0%的提升；钢筋拉拔曲线符合常规的四段式.这证明使用水泥基材料的原位涂层技术可以实际应用于3D打印混凝土的加筋工艺中，并有效提升3D打印混凝土结构的力学性能及耐久性能，为混凝土3D打印技术的工程应用提供了创新方法及理论基础.
挤出式3D混凝土打印技术的研究已开展多
本文提出一种原位涂层技术，在钢筋插入的过程中，使用涂层材料为钢筋添加涂层，涂层材料与混凝土同步固化，最终消除钢筋与3DPC之间的空隙缺陷，增强钢筋与3DPC的黏结.本文选用自密实砂浆（SCC）与超细灌浆水泥（GRC）作为原位涂层材料（具有高流动性），其与新打印的3DPC（具有低流动性）及钢筋（无流动性）之间均可实现密实接触.并对钢筋拉拔性能进行试验研究，揭示原位涂层钢筋3DPC的黏结特性，以期为原位涂层技术的工程应用提供理论基础.
原位涂层技术的具体实现如
图1 原位涂层技术及应用示意图
Fig.1 In‑situ coating technique and its application
涂层材料将钢筋全面包裹并充分填充了混凝土空间，通心管的外壁直径就是涂层钢筋的最外层直径.原位涂层材料必须在液态时具备较高的流动性，并在固态时与钢筋和3DPC具有高效的黏结能力.笔者前期的研究中使用了环氧树脂作为涂层材料，使钢筋和3DPC的握裹力得到了有效提
在工程应用中，原位涂层技术可以与3D打印操作同步进行，如
采用普通硅酸盐水泥OPC 42.5R作为胶凝材料，购自佛山，28 d抗压强度48.5 MPa.采用空心玻璃珠（HGB）作为细骨料（代替细砂），平均粒径80 μm，密度0.60 g/c
| OPC | HGB | FA | SF | Water | HRWR | HPMC | PA | AR | TA | DFA |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 54.40 | 10.88 | 8.16 | 2.73 | 21.76 | 0.11 | 0.16 | 0.54 | 0.41 | 0.82 | 0.03 |
按ASTM C780‑20 Standard Test Method for Preconstruction and Construction Evaluation of Mortars for Plain and Reinforced Unit Masonry 测量新拌混凝土的静态屈服应力.将3DPC混合料拌和均匀后分成2组：一组在搅拌机中持续搅拌，以模拟材料在打印仓中搅拌；另一组静置.在测量时将混合料倒入模具中，落锥（质量m，锥角θ）从指定高度以自由落体方式落入混合料中，测量落锥的穿透深度（h）.按
图2 新拌3DPC的静态屈服应力
Fig.2 Static yield strength of fresh 3D printed concrete
| τ0= | （1） |
原位涂层技术所需涂层材料需要具备较高的流动性，以渗入狭窄的预留涂层空间. 因此，本文选定了2种商用水泥基材料作为原位涂层材料：自密实砂浆SCC（型号CGM-300）与超细灌浆水泥GRC（型号CGM-800），均购自北京中德新亚建筑材料有限公司.SCC具有高强度、高流动度、自密实的优良特点.GRC主要用于混凝土结构裂缝修复，其流动性高，可进行压力注射使之渗入不同宽度的裂缝中.两者流动性均较高，无需振捣即可实现自密实.两者的力学性能与流动性能详见
| Material | Maximum particle size | Water‑cement ratio(by mass) | Fluidity at 30 min/mm | Viscosity/ (mPa·s) | Initial setting time/min | Vertical shrinkage ratio at 24 h/% | 28 d strength/MPa | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Compressive | Tensile | Flexural | |||||||
| SCC | 1.0 mm | 9∶1 | 268 | 9 922 | 45 | 0.04 | 68.8 | 4.3 | 7.5 |
| GRC | 5 μm | 8∶2 | 223 | 6 374 | 25 | 0.20 | 52.2 | 2.0 | 4.2 |
为研究原位涂层技术制备的加筋3DPC的握裹力，去除3D打印过程产生的层间弱黏结的影响，本文使用定制模具保障通心管、钢筋与外围的模具轴心相同. 具体试件制备过程如
图3 试件制备及测试过程
Fig.3 Preparation and pullout test of specimens
通心管外径即为原位涂层的外直径，分别为16、18、20 mm，钢筋直径为6 mm，因此涂层厚度分别为5、6、7 mm.根据通心管外径将使用SCC、GRC制备的试件分别记作SCCΦ16、SCCΦ18、SCCΦ20和GRCΦ16、GRCΦ18、GRCΦ20.同时也制备了2组对照试件：一组不使用涂层，先将钢筋放入，然后再浇入混凝土，并进行振动密实操作，试件记作PC‑CAST；另一组先将混凝土浇入，再模拟常规的3D打印过程插入钢筋，不进行振动密实操作，试件记作PC‑DRIN. 每组制备3个试件.所有试件经标准养护28 d后，进行
各试件的拉拔曲线如
图4 各试件的拉拔曲线
Fig.4 Pullout curves of specimens
PC‑CAST试件拉拔曲线为浇制混凝土中钢筋的拉拔曲线，与常规钢筋混凝土拉拔曲线较为一致.但相应的拉拔强度（26.88 MPa）小于常规浇制混凝土.究其原因：一是本文所用钢筋直径为6 mm，小于常规测试中所用钢筋直径（12、16 mm）；二是3DPC抗压强度仅有21.60 MPa，低于常规混凝土的抗压强度.
如PC‑DRIN试件拉拔曲线所示，直插加强筋试件的拉拔力大幅降低，计算所得最大拉拔强度为10.90 MPa，与PC‑CAST试件相比，降低了59.4%，这主要是由于钢筋直接插入混凝土的过程中引入了大量的空
图5 加强筋、涂层与3DPC的界面形貌
Fig.5 Interfacial morphology of rebar， coating and 3DPC
而对于使用SCC或GRC原位涂层的试件，由于涂层材料流动性较高（见
由于GRC的24 h竖向膨胀率（0.20%，见
传统应用中，钢筋涂层主要是为了保护钢筋防止锈
图6 试件剖面示意及照片
Fig.6 Section diagram and photo
综上，钢筋的拉拔破坏过程取决于钢筋、涂层、混凝土3种材料的力学特性及相互黏结关系，需要进一步的研究来揭示三者之间的具体规律.
将最大拉拔力换算为拉拔强度，如
图7 各试件拉拔强度
Fig.7 Pullout strength of specimens
3DPC与涂层材料之间的黏结类似于新旧混凝土之间的黏结，但又有所不同.在执行涂层操作时，3DPC尚未达到初凝，与涂层材料之间有较为有效的黏结，可视作2种混凝土材料的同时浇筑黏结. 从理论上来讲，原位涂层的操作时间越快越好.但其中的操作因素（如插入通心管、灌入涂层材料、拔出通心管等）均会影响两者的黏结效果.因此，有必要开展更深入的研究，并开发自动化的工艺技术.
由于环氧树脂的黏度（10~100 mPa·s）远低于SCC或GRC，因此环氧树脂的涂层操作更为顺利. 而在使用SCC或GRC填充钢筋与通心管之间的空隙时，需要对钢筋进行振动或者旋转，以促进涂层材料的渗入. 另外，SCC及GRC材料中存在大颗粒（SCC中存在细砂，GRC中存在水泥颗粒），在振动过程中容易发生离析，导致材料不均匀. 因此，需要进一步研究更加适用的涂层材料.
（1）原位涂层技术既解决了直接插入钢筋给3D打印混凝土3DPC带来的空隙问题，又保护了钢筋，减少了锈蚀的产生. 3DPC、涂层、钢筋之间具备密实的黏结界面.
（2）原位涂层技术有效提升了3DPC对钢筋的握裹力.拉拔强度提升幅度最大为345.0%，平均为239.0%. 由于涂层的力学性能及流动性优于3DPC，因此所得原位涂层钢筋试件的拉拔强度大多超过了使用3DPC浇制的钢筋混凝土.
（3）原位涂层钢筋3DPC拉拔曲线呈四段式.涂层破裂后，对钢筋拔出产生了断续式的锚固作用，因此得到了起伏的拉拔曲线.
（4）后续仍需进一步开展对原位涂层材料的研发，解决涂层材料与3DPC的收缩一致性问题.另外，研制相关的机电自动涂层设备可有效提高涂层效率，提升涂层质量，有望解决3D打印混凝土技术的关键问题.
参考文献
BESTER F， VAN DEN HEEVER M， KRUGER J， et al. Reinforcing digitally fabricated concrete：A systems approach review［J］. Additive Manufacturing， 2021， 37：101737. [百度学术]
侯少丹，肖建庄，段珍华. 3D打印细石混凝土调配及其可打印性和力学性能［J］. 建筑材料学报， 2022， 25（7）：730‑736. [百度学术]
HOU Shaodan， XIAO Jianzhuang， DUAN Zhenhua. Preparation of 3D printable concrete with small coarse aggregate and its printability and mechanical properties［J］. Journal of Building Materials， 2022， 25（7）：730‑736. （in Chinese） [百度学术]
刘天浩，王里，李之建，等.混凝土3D打印加筋增韧方法研究进展［J］.工业建筑，2021，51（6）：9‑15. [百度学术]
LIU Tianhao， WANG Li， LI Zhijian， et al. A review of incorporating reinforcement method in 3D concrete printing［J］. Industrial Construction， 2021， 51（6）：9‑15. （in Chinese） [百度学术]
KEITA E， BESSAIES‑BEY H， ZUO W Q， et al. Weak bond strength between successive layers in extrusion‑based additive manufacturing：Measurement and physical origin［J］. Cement and Concrete Research， 2019， 123：105787. [百度学术]
DIGGS‑MCGEE B N， KREIGER E L， KREIGER M A， et al. Print time vs. elapsed time：A temporal analysis of a continuous printing operation for additive constructed concrete［J］. Additive Manufacturing， 2019， 28：205‑214. [百度学术]
MARCHMENT T， SANJAYAN J， XIA M. Method of enhancing interlayer bond strength in construction scale 3D printing with mortar by effective bond area amplification［J］. Materials and Design， 2019， 169：196‑204. [百度学术]
HAMBACH M， VOLKMER D. Properties of 3D‑printed fiber‑reinforced Portland cement paste［J］. Cement and Concrete Composites， 2017， 79：62‑70. [百度学术]
BAZ B， AOUAD G， LEBLOND P， et al. Mechanical assessment of concrete—Steel bonding in 3D printed elements［J］. Construction and Building Materials， 2020， 256：119457. [百度学术]
BAZ B， AOUAD G， REMOND S. Effect of the printing method and mortar’s workability on pull‑out strength of 3D printed elements［J］. Construction and Building Materials， 2020， 230：121‑128. [百度学术]
MATTHAUS C， KOFLER N， KRANKEL T， et al. Interlayer reinforcement combined with fiber reinforcement for extruded lightweight mortar elements［J］. Materials， 2020， 13（21）：4778. [百度学术]
BESTER F， VAN DEN HEEVER M， KRUGER J， et al. Steel fiber links in 3D printed concrete［C］//Second RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication. ［S. l.］：Springer Cham.， 2020， 28：398‑406. [百度学术]
PERROT A， JACQUET Y， RANGEARD D， et al. Nailing of layers：A promising way to reinforce concrete 3D printing structures［J］. Materials， 2020， 13（7）：1518. [百度学术]
CAO X P， YU S H， ZHENG D P， et al. Nail planting to enhance the interface bonding strength in 3D printed concrete［J］. Automation in Construction， 2022， 141：104392. [百度学术]
MARCHMENT T， SANJAYAN J. Bond properties of reinforcing bar penetrations in 3D concrete printing［J］. Automation in Construction， 2020， 120：103394. [百度学术]
MARCHMENT T， SANJAYAN J. Reinforcement method for 3D concrete printing using paste‑coated bar penetrations［J］. Automation in Construction， 2021， 127：103694. [百度学术]
HOSSEINI E， ZAKERTABRIZI M， KORAYEM A H， et al. A novel method to enhance the interlayer bonding of 3D printing concrete：An experimental and computational investigation［J］. Cement and Concrete Composites， 2019， 99：112‑119. [百度学术]
HOSSEINI E， ZAKERTABRIZI M， HABIBNEJAD KORAYEM A， et al. Orbital overlapping through induction bonding overcomes the intrinsic delamination of 3D‑printed cementitious binders［J］. ACS Nano， 2020， 14（8）：9466‑9477. [百度学术]
ZHANG Y， ZHANG Y S， YANG L， et al. Hardened properties and durability of large‑scale 3D printed cement‑based materials［J］. Materials and Structures， 2021， 54（1）：45. [百度学术]
BAZ B， AOUAD G， KLEIB J， et al. Durability assessment and microstructural analysis of 3D printed concrete exposed to sulfuric acid environments［J］. Construction and Building Materials， 2021， 290：367‑386. [百度学术]
SUN X Y， ZHOU J W， WANG Q， et al. PVA fibre reinforced high‑strength cementitious composite for 3D printing：Mechanical properties and durability［J］. Additive Manufacturing， 2022， 49：102500. [百度学术]
CAO X P， YU S H， CUI H Z， et al. In‑situ coating technique for rebar installation for 3D‑printed reinforced concrete［J］. Construction and Building Materials， 2023， 397：132310. [百度学术]
CHEN Y， CHAVES FIGUEIREDO S， LI Z， et al. Improving printability of limestone‑calcined clay‑based cementitious materials by using viscosity‑modifying admixture［J］. Cement and Concrete Research， 2020， 132：106040. [百度学术]
朱艳梅， 张翼， 蒋正武. 羟丙基甲基纤维素对3D打印砂浆性能的影响［J］. 建筑材料学报， 2021， 24（6）：1123‑1130. [百度学术]
ZHU Yanmei， ZHANG Yi， JIANG Zhengwu. Effect of hydroxypropyl methylcellulose ether on properties of 3D printing mortar［J］. Journal of Building Materials， 2021， 24（6）：1123‑1130. （in Chinese）. [百度学术]
MA G W， HUANG Y M， ASLANI F， et al. Tensile and bonding behaviours of hybridized BFRP‑steel bars as concrete reinforcement［J］. Construction and Building Materials， 2019， 201：62‑71. [百度学术]