《Buildings》：The Interface Transition Region (ITR) in 3D Printed Concrete: A Mechanistic Taxonomy and Constitutive Requirements for Interlayer Stress Transfer
编辑推荐：
3D混凝土打印（3DCP）产生的层间界面通常在拉伸和剪切荷载下控制结构性能。尽管对制造参数已有广泛研究，该领域仍缺乏统一的界面应力传递框架，且诸如粘结（bond）、粘附（adhesion）、内聚（cohesion）和互锁（interlocking）等术语的使用
3D混凝土打印（3DCP）产生的层间界面通常在拉伸和剪切荷载下控制结构性能。尽管对制造参数已有广泛研究，该领域仍缺乏统一的界面应力传递框架，且诸如粘结（bond）、粘附（adhesion）、内聚（cohesion）和互锁（interlocking）等术语的使用不一致。本文通过三个步骤解决这一空白。首先，区分了界面（理想化的零厚度边界）与有限厚度的界面过渡区（Interface Transition Region, ITR）——后者是在沉积时同一材料体系的两个水泥质表面以不同物理化学历史相遇而形成的。其次，提出了四种相互作用的应力传递机制（粘附、内聚、摩擦和互锁）的分类法。第三，将该分类法与3DCP混凝土的正交各向异性本构模型（被解释为在垂直于打印层的拉应力下的粘附主导极限情况）、一个类似离散界面报告的耦合法向-切向传递，以及六种本构公式进行对照，评估各自代表或忽略的机制。综合结果为这些界面的未来本构处理提出了五项具有物理基础的要求。
3D混凝土打印（3DCP）通过逐层挤出沉积水泥基材料，无需传统浇筑的振捣压实，因而形成层状各向异性结构，层间界面常控制结构在拉伸和剪切荷载下的性能。过去十余年，大量实验研究了沉积时间间隔、喷嘴离面距离、打印速度、表面湿度、配合比等制造参数对层间粘结强度的影响，但该领域缺乏统一界面应力传递框架，术语“bond”“adhesion”“cohesion”“interlocking”使用不一致；现有本构模型往往只显式表示一到三种机制，其余机制被隐含吸收在已标定参数中，阻碍了跨研究比较与整合。因此，研究人员针对“应力究竟通过哪些物理可区分机制在3DCP层间界面传递，以及制造过程如何控制各机制相对贡献”这一根本问题，开展了一项概念性与综合性研究。
研究人员首先区分了理想化零厚度“界面”与有限厚度“界面过渡区”（Interface Transition Region, ITR）。ITR被定义为同一材料体系的两个水泥质表面在沉积时刻以不同物理化学历史接触所形成的有限厚度区域，其微观结构、孔隙率、水化程度、湿度状态和力学连续性可能与相邻层内部不同，且会继续演化。该概念刻意区别于经典混凝土中由成分异质性产生的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）：ITR主要源于同一均匀材料体系内的时间不连续，而非成分不连续。ITR的操作性定义为：在名义接触面两侧，某一可测性质（如孔隙率、局部弹性模量或未水化水泥含量）偏离层内部值的区域，其厚度依赖性能、配合比、沉积间隔、龄期和环境条件，需实验确定。
在此概念基础上，研究人员提出四种相互作用的应力传递机制：粘附（Adhesion, A）、内聚（Cohesion, B）、摩擦（Friction, C）和机械互锁（Mechanical Interlocking, D）。粘附是沉积后早期水化期间在接触面建立的物理化学键，受沉积时间间隔影响显著，表现为低刚度、低强度且脆性破坏；内聚是水化产物跨越原接触面后形成的整体材料连续性，随养护时间增长，与界面孔隙率相关；摩擦在粘聚阻力退化后激活，依赖法向压应力，是残余机制；机械互锁是由刻槽或肋状喷嘴产生的有限几何互穿，必须经过显式均匀化后才能表示为零厚度界面上的牵引-分离响应。这四种机制被组织为四个层次：形成机制（生成ITR的水化、水分重分布、流变硬化和几何压印）、应力传递机制（A–D）、损伤机制（粘附/内聚的渐进退化）和残余机制（摩擦+互锁）。该分类的要点是，机械互锁的存在使两层次描述成为物理必然，而非便利假设。
在方法上，本研究不是实验研究，而是概念性、综合性文献分析。研究人员在Scopus和Web of Science数据库进行了定向机制导向检索，采用三组关键词组合：3DCP工艺、层间/界面/bond/adhesion/cohesion/friction/interlocking、强度/时间间隔/湿度/孔隙率/本构建模，覆盖近15年同行评审期刊，辅以Google Scholar，共获得52条记录，经标题、摘要和全文筛选后保留38篇核心文献，并补充了砌体、传统混凝土ITZ和连续介质力学背景来源。文献按“所探测的机制”而非“工艺参数”重新组织，并结合正交各向异性本构模型、离散界面耦合证据和六种3DCP界面本构公式进行对照。
研究结果可概括为以下几部分。
（1）界面与ITR：界面作为零厚度力学边界是连续介质力学的建模选择，而非物理事实；3DCP中ITR具有有限厚度且受制造控制，因此不能无理由地压缩为零厚度表面。
（2）两层次描述：物理层次解释ITR的生成与演化（水化、水分交换、流变硬化），力学层次将其等效为界面牵引-分离关系；对于机械互锁，有限几何（齿深、节距、方向）必须先均匀化。
（3）机制A（粘附）：文献中最大分支是沉积时间间隔对粘结强度的影响。Le等、Wolfs等、Skibicki等、Napolitano等、Tay等、Subramaniam等分别报道了强度随间隔增加而显著下降，范围约为16%至68.5%不等；Roussel指出表面干燥是主要驱动因素；Moelich等建立了以沉积时表面含水量为变量的解析模型（RMSE 2.5%），被认为是最接近R5要求的先例。
（4）机制B（内聚）：Rahul等报道3DCP混凝土体相孔隙率比浇筑混凝土低6–8%，而界面孔隙率高出10–16%；Geng等提出界面粘结强度与界面孔隙率和弹性模量的经验关系，并指出流变屈服应力增加会降低相对粘结强度。Kabantsev的正交各向异性模型显示，平行于打印层的拉伸和两个方向的压缩应力-应变行为与普通浇筑混凝土定性相似，说明内聚机制在此类加载下被实质调动。
（5）机制C（摩擦）：在3DCP层间界面文献中，摩擦作为直接实验研究对象明显不足，没有研究在独立于粘附/内聚条件下分离摩擦。相关间接证据来自砖-砂浆界面的Mohr-Coulomb摩擦定律和Kruger等的新鲜材料形状保持模型。
（6）机制D（机械互锁）：Zareiyan和Khoshnevis的舌槽几何使劈裂强度提高26%，且强度随舌深非单调变化；He等提出齿状界面解析模型，报告拉伸强度提高291–294%、剪切提高89%；Marchment和Sanjayan的“胶浆”策略增加有效接触面积，被归为机制A而非D；Wang等通过巴西圆盘试验和声发射研究纤维互锁；To等用有限元比较I/T/V/S形互锁构型；Kloft等发现喷射沉积产生更高界面粗糙度但属过程附带效应，可能涉及C和/或D。
（7）工艺变量-机制映射与测试方法：表1给出工艺变量对机制的主要/次要调节关系；现有测试方法如劈裂、直拉、剪切常混合多种机制，尚无专门隔离C与D的方法；加载方向本身是重要变量，Kloft等报道时间间隔仅在界面平行于加载方向时显著影响强度。
随后，研究人员将分类学与现有本构证据对照。Kabantsev模型在垂直于打印层的拉伸下表现为粘附主导的脆性破坏（线性上升至粘附强度后脆断），平行层向拉伸和压缩则表现为内聚主导的延性响应；Subramaniam等的断裂力学分析显示裂纹在界面能量释放率低于穿透阈值时沿界面偏转；砖-砂浆界面的实验-数值研究表明，名义纯剪下会诱发法向应力，说明法向-切向耦合不能随意忽略；对六种3DCP界面本构公式的系统比较显示，没有一种同时以独立参数表示全部四种机制，摩擦机制（C）是最普遍缺失的项。
讨论部分指出，该分类学与正交各向异性响应的对应关系属于机制解释而非直接实验分离；耦合证据来自类比体系而非3DCP本身，因此具有方法论先例而非直接材料证据；六种公式中摩擦缺失可能表明建模空白，但不能证明物理摩擦作用完全不存在。最后，研究人员提出五项可检验的要求（R1–R5）：R1，摩擦应作为显式、可分离的法向应力相关项；R2，粘附与内聚的调动应具有方向依赖性，而非单一标量；R3，法向-切向耦合应作为开放经验问题处理；R4，几何工程互锁必须有显式均匀化步骤；R5，标定参数应可追溯至ITR的可测量物理状态（如表面湿度、界面孔隙率、水化程度）。这些要求与未来牵引-分离公式、标量损伤表示和有限元实现共同定义了后续研究路径。
研究结论可翻译为：本文提出了一个四步发展的概念性和机制性框架。第一，引入了界面过渡区（ITR），将其与经典ITZ区分；第二，提出了粘附(A)、内聚(B)、摩擦(C)、机械互锁(D)四种机制及形成、传递、损伤、残余四个交互层次；第三，通过与现有实验、解析和数值证据对照，表明正交各向异性响应可解释为粘附/内聚相对贡献的差异，但这一解释仍需直接实验分离，六种现有公式均未表示全部机制，且没有显式摩擦项；第四，综合为五项可检验的要求（R1–R5）。该框架为后续开发物理可解释、方向依赖且数值稳健的3DCP层间界面本构模型提供了直接路线。
