罗晓瑜，等：穿层植筋填浆增强3D打印混凝土力学性能研究

来源：建筑科学与工程学报

穿层植筋填浆增强3D打印混凝土力学性能研究

罗晓瑜1，胡嘉伟1，杨敏2，姚晓飞2，邹存俊1，赵禹旗1，是昊1

（1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0引言

        3D打印混凝土技术消除了对模板的依赖，显著降低了污染并提升了施工灵活性，是建筑工业化的关键方向之一。但“逐条、逐层”的工艺特性使其内部存在先天的力学薄弱面。在众多增强方法中，“穿层植筋”因不干扰打印路径而备受关注，但钢筋植入后不可避免会形成空隙，削弱了钢筋与混凝土的协同工作能力。本研究提出了空隙填浆法。以HB穿层钢筋增强法为基础，选取了水泥净浆（CP）、U型膨胀剂改性水泥浆（UEC） 和纳米二氧化硅改性水泥浆（NSC） 三种填充材料。通过宏观力学试验、细观断面分析与微观扫描电镜（SEM）观测，系统揭示了不同浆料对植筋空隙的填充效果及增强机理，并建立了开裂抗拉强度的理论计算模型。

1增强工艺与试验方法

1.1 HB钢筋增强与空隙填浆法

HB钢筋由主筋与横向短筋组成，其增强原理不同于依赖握裹力的传统植筋法：植入后通过旋转操作，使横筋与混凝土形成机械互锁，横筋将荷载传递予穿层主筋，实现增强。

图1 HB钢筋

本研究通过拔出试验（图2）确定了最佳旋转角度，当旋转15°时横筋与混凝土形成良好互锁且主筋拉断破坏，继续增大角度虽不显著提升拔出力，但会增加试件内部扰动，故选定15°为最佳角度

图2 HB钢筋拔出试验结果

针对植筋后产生的HB空隙问题，本研究提出空隙填浆法：向空隙中灌注填充浆，以握裹钢筋并强化横筋与混凝土的互锁，使荷载能经由填充浆更有效地传递给主筋，提升协同受力性能。具体操作为：先将HB钢筋浸润浆料，植入旋转后，多次向空隙注浆并静置，直至浆液不再下渗。

图3 空隙填浆法

1.2 填充浆

      综合工程经济性、实用性与创新性，本研究选用三种填充浆：水泥净浆（CP）作为基准；U型膨胀剂改性水泥浆（UEC），利用其膨胀补偿收缩特性；纳米二氧化硅改性水泥浆（NSC），利用其细腻结构改善孔隙填充率。三种浆料均采用较高含水率并掺加减水剂以保证流动性。

1.3 试验方法

试件通过桁架式3D打印机制备为双层条形试块，打印完成后每隔50mm植入HB钢筋并旋转15°，分别以CP、UEC、NSC三种浆料进行空隙填浆，另设未填浆对照组。试块经标准养护7天后切割为40mm立方体试件，主要开展三方面测试：

(1)细观分析：使用微距摄影观察植筋断面填充效果，并通过SEM观测填充浆微观结构，探究粘结机理；

(2)直接拉伸试验：采用胶粘法，以荷载控制模式加载，测定试件开裂抗拉强度与极限抗拉强度；

(3)层间剪切试验：使用特制夹具，以位移控制模式加载，测定试件层间剪切强度。各项试验均依据相关国家标准执行，试验结果将为填浆增强机理分析提供依据。

图4 直接拉伸试验夹具

图5 剪切试验夹具

2细观分析

        微距摄影与SEM分析揭示了各组试件植筋空隙的填充效果及微观机理。对照组（N组）中，HB钢筋主筋与混凝土间存在明显空隙，横筋互锁亦被削弱，不利于层间增强。CP组上层填充较密实，但下层空隙较大，未达饱满状态；SEM显示其浆体内部存在较大微观空隙，虽有少量C-A-H和C-S-H生成，但前者数量少、长度短，后者致密性不足，这源于CP浆早期先膨胀后收缩的特性——水分蒸发导致毛细孔压力升高，引发收缩应力而产生微观空隙。UEC组填充效果良好，主筋周围空隙密实，仅下层横筋处有微小空隙，且浆体与打印混凝土粘结较好；SEM观察到大量细长且相互交织的针状C-A-H结构，有效填充了微观空隙并紧密连结C-S-H胶体，这是因为U型膨胀剂水化反应大量生成C-A-H补偿了收缩，养护湿度进一步促进了其生长。NSC组宏观填充最为密实，得益于纳米二氧化硅的细微结构，但填充浆与打印混凝土界面明显，未实现良好融合；微观上C-S-H颗粒数量多但结构松散，几乎未见针状C-A-H，这是由于高含水率加速了火山灰反应、纳米二氧化硅充当成核位点促使C-S-H大量生成，但以小颗粒形态为主，界面结合不够紧密，可能影响整体力学性能。

图6 N组植筋断面

(a) CP组植筋断面

(b) CP填充浆微观结构
图7 CP组试件观察

(a) UEC组植筋断面

(b) UEC填充浆微观结构

图8 UEC组试件观察

(a) NSC组植筋断面

(b) NSC填充浆微观结构
图9 NSC组试件观察

3力学性能

3.1 HB钢筋增强与空隙填浆法

图10对照组N因植筋空隙削弱了HB钢筋增强效果，其开裂与极限抗拉强度均为最低。三种填充浆均能有效提升试件抗拉强度，其中UEC组提升最为显著，且其开裂抗拉强度与极限抗拉强度数值相同。

         所有试件的荷载-变形曲线均可划分为三个阶段，见图11。第一阶段为弹性加载段，填充浆作用较小，承载力主要由混凝土承担。第二阶段为带裂缝工作段，填充浆通过粘结与握裹实现荷载传递，不同浆料因微观结构差异导致开裂抗拉强度不同：CP组因下层空隙及浆体收缩导致传力效果较差；UEC组因针状C-A-H生长膨胀并伸入混凝土内部，粘结与握裹效果优异，可有效传递荷载；NSC组虽填充密实，但C-S-H小颗粒形成的松散结构及C-A-H含量少导致粘结薄弱，增强效果相对最弱。第三阶段为最终破坏段，混凝土开裂后荷载由横筋传递至主筋，此时填充浆对承载力影响有限。值得注意的是，N组和CP组在该阶段出现荷载骤降，验证了填浆有效性；而UEC组在第二阶段末已达极限荷载，钢筋抗拉能力在混凝土开裂前已充分发挥，试件呈延性破坏特征。

图10 试件抗拉强度

图11 直接拉伸试验荷载-变形曲线

图12 直拉试验传力示意图

3.2 剪切试验

剪切试验结果表明，三种填充浆均能提升试件的剪切强度，其中UEC组提升最为显著，NSC组增强效果相对最弱，但整体提升幅度有限。

荷载-变形曲线可分为两个阶段：混凝土沿层间界面剪切破坏阶段和钢筋弯曲变形阶段。试件剪切强度主要来源于层间界面抗剪能力与HB钢筋自身抗剪能力，填充浆因在剪切截面上所占面积较小，其直接抗剪贡献可忽略，但通过增强钢筋握裹力与横筋咬合力，可有效减小钢筋滑移，将部分剪力转化为钢筋拉力而提升强度。剪切面处填充浆因应力集中成为受力薄弱点，其被压溃后钢筋变形、界面发生剪切破坏。CP组因浆体收缩形成微观空隙，易成为裂纹扩展源而削弱增强效果；UEC组因大量针状C-A-H改善粘结与致密性，剪切性能最佳；NSC组因C-A-H含量低、微观结构松散，剪切性能最弱。

图13 试件剪切强度

图14 剪切试验荷载-变形曲线

图15 剪切试验传力示意图

4开裂抗拉强度公式

5结论

1）三种填充浆的填充效果与微观结构差异显著：CP浆因固化收缩导致填充较差、微观空隙大；UEC浆膨胀补偿收缩，C-A-H含量丰富，有效填充微观空隙；NSC浆宏观填充最密实，但C-S-H颗粒细小松散，界面结合较弱。

2）力学试验表明，三种填充浆均可有效提升试件的开裂抗拉强度、极限抗拉强度及剪切强度，其中UEC组提升最为显著，NSC组提升幅度相对最小。传力机理分析揭示，填充浆通过增强HB钢筋与混凝土间的握裹与互锁，改善了两者的协同受力性能。综合比较，UEC因其优异的膨胀特性和微观结构致密性，最适宜作为填浆材料。

3）基于试验数据，建立了HB钢筋填浆试件开裂抗拉荷载的半经验半理论计算公式，计算误差在±9%以内，可为相关研究提供参考。

4）填浆处理对穿层加筋构件力学性能提升效果显著，并有望改善其抗腐蚀与抗冻融耐久性，相关研究值得进一步开展。

[引文格式]罗晓瑜，胡嘉伟，杨敏，等.穿层植筋填浆增强3D打印混凝土力学性能研究[J].建筑科学与工程学报，2026，43(4):188-200.♥ ♥ ♥

作者简介

      罗晓瑜，1979年10月生，广东清远人，长安大学公路学院桥梁工程系第二党支部书记，教育部课程思政教学名师，副教授，硕导。2013年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，获博士学位，主要致力于桥梁美学与造型设计方法以及桥梁智能设计与建造方法研究。

       教学研究方面：主持了2018年度中央高校“双一流”引导基金本科生教学改革项目：“基于虚拟现实技术（VR）的桥梁工程互动式教学方法研究”；主持2019年度中央高校“双一流”教学建设项目：“桥梁美学与造型设计”慕课建设；主持了中国交通教育研究会2020-2022年度交通教育科学研究重点课题：“面向交通强国建设的行业高校课程思政育人机制探索与实践”。

     科研方面：主持了深中通道项目A标段、水东湾跨海大桥、武穴长江大桥、援马尔代夫中马友谊大桥、巴拿马运河三桥等国家重点以及国外大型桥梁等多座著名地标建筑的景观与造型设计研究，并作为主要起草人编制了我国交通运输部第一部桥梁景观设计规范《公路桥梁景观设计规范》（JTG/T 3306-03-2018）。主持并完成了中央高校基金项目：带斜撑的高性能钢-混组合T梁拓扑找型与尺寸优化研究；主持并完成了国家山区公路工程技术研究中心开放基金项目：桥墩复合材料防撞装置车撞数值模拟技术；主持并完成了陕西省社科界重大理论与现实问题研究年度项目：交通强国建设背景下桥梁美学对行业改革创新的影响研究；作为主要研究人员参与国家重点基础研究发展计划（973计划）项目：特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究；主持陕西省自然科学基金面上项目：3D打印混凝土界面传力机理研究（2023-JC-YB-410）。