再生粗骨料替代对3D打印混凝土各向异性压缩性能与破坏机制的影响：可分离性与方向修正系数

《Structures》：Effect of recycled coarse aggregate replacement on the anisotropic mechanical properties and failure mechanisms of 3D printed concrete

　　

三维混凝土打印（3DCP）引入力学各向异性，而再生粗骨料（RCA）通常降低混凝土强度；然而，当这两种效应在同一材料内作用时是否仍可分离，仍缺乏充分量化。研究人员从打印构件中锯切立方体试件，RCA替代率为0%、50%和100%，沿三个正交方向（X、Y、Z）进行单轴压缩试验，每个组合设置三个重复，共27个试件。采用数字图像相关（DIC）监测全场应变与裂纹演化，采用扫描电子显微镜耦合能谱（SEM-EDS）表征断裂面。抗压强度始终呈Z > Y > X排序，归一化各向异性系数在三个RCA替代水平间几乎不变，X/Z和Y/Z均值分别为0.749和0.858。双因素方差分析（ANOVA）表明，加载方向和RCA替代分别占抗压强度总变异的73.7%和20.0%，二者交互作用仅占0.30%且不显著（p = 0.92）。增加RCA使Z向强度由25.02 MPa降至21.52 MPa，峰值应变由0.215%增至0.275%。在所测试打印条件下，RCA替代主要改变绝对强度水平而保持相对方向强度轮廓，而分层打印几何控制方向强度层级和破坏模式。DIC揭示方向相关破坏模式，SEM-EDS显示RCA相关界面过渡区（ITZ）更非均质且多孔。针对所测试打印条件提供了方向修正系数。

Yuzhuo Zhang、Haoming Wang、Jinlong Liu、Shuo Huang、Weiqi Cui和Yang Yu围绕3D打印混凝土（3DCP）中打印诱导的力学各向异性与再生粗骨料（RCA）引起的强度劣化是否可分离开展研究。研究背景在于混凝土生产资源消耗和碳排放较高，建筑拆除废物回收需求增加，RCA因孔隙率较高、吸水率较大并含残留附着旧砂浆，会改变混凝土的堆积密度、水化环境和界面过渡区（ITZ），通常导致强度和刚度下降；同时，3DCP逐层沉积形成丝条界面和层间粘结条件，使抗压强度、刚度和断裂模式随加载方向相对打印路径和建造方向而变化，产生力学各向异性。既有研究多分别关注再生骨料混凝土的强度退化和ITZ特征，或关注3D打印混凝土由层状沉积引起的各向异性，尚不清楚RCA诱导的材料非均质和弱ITZ是否会实质改变打印层状结构造成的相对方向强度差异，还是仅降低绝对强度水平；该问题尚未通过联合因子设计充分建立。为此，研究人员开展不同RCA替代率下3D打印再生骨料混凝土（3DPRAC）在三个正交加载方向上的各向异性压缩行为研究，结合宏观力学、DIC全场应变和SEM-EDS微观表征，得出RCA替代与打印各向异性在测试范围内近似可分离、RCA主要改变绝对强度并提高变形能力、加载方向控制破坏模式、RCA相关弱ITZ为强度降低提供微观基础的结论。其意义在于提供方向修正系数，并为含RCA打印构件的工程评估提供简化依据：特定打印工艺确定各向异性强度比后，可应用于不同RCA含量的配合比。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究采用固定配合比和打印参数，粗骨料粒径4–5 mm，RCA替代率设为0%、50%和100%，每个替代率制备一个约400 mm×500 mm×300 mm打印构件，7 d后从构件内部锯切100 mm立方体并去除外表皮和边缘，标准养护至28 d；每个替代率与每个加载方向组合3个试件，共27个。材料分别由沈阳合格建材制造商和广州专业材料供应商供应。沿X、Y、Z方向进行单轴压缩，记录应力–应变、抗压强度和峰值应变；采用DIC获取全场应变和Crack Range（裂纹范围测量）；采用SEM-EDS观察骨料–基体界面和元素分布；采用双因素ANOVA评估RCA替代率、加载方向及其交互作用。

研究结果如下。3.1 抗压强度特征分析（Compressive strength characteristics analysis）：通过不同RCA替代率和X、Y、Z方向工程应力–应变响应，得出所有RCA替代水平均存在一致方向依赖，抗压强度排序为Z > Y > X；RCA替代率增加使峰值应力降低并伴随峰值应变增加；方向层级与加载方向相对打印层界面的受压、剪切和拉伸作用有关。3.1.1 不同RCA替代水平下抗压强度与方向各向异性（Compressive strength and directional anisotropy across RCA replacement levels）：通过比较三个方向的抗压强度及以Z向归一化的方向系数，得出Z向强度由25.02 MPa降至21.52 MPa，X向由18.85 MPa降至16.18 MPa，Y向由21.56 MPa降至18.52 MPa，0%至100% RCA替代在各方向约降低14%；峰值应变在X、Y、Z方向分别由0.320%、0.265%、0.215%增至0.400%、0.335%、0.275%；k_X/Z为0.753、0.741、0.752，k_Y/Z为0.862、0.852、0.861，相对方向分布近似稳定；研究给出方向修正因子k_dir,X=0.749、k_dir,Y=0.858、k_dir,Z=1，并可用f_c,dir=k_dir,i·f_c,Z换算。3.1.2 ANOVA结果与显著性分析（ANOVA results and significance analysis）：通过双因素ANOVA，得出抗压强度中加载方向占总变异73.75%，RCA替代率占20.02%，交互作用仅占0.30%且不显著（F=0.23，p=0.918）；峰值应变中加载方向占71.89%，RCA替代率占26.80%，交互作用占0.36%且不显著（F=1.73，p=0.187）；统计结果支持方向修正系数在测试RCA替代水平间近似稳定，RCA主要改变响应幅值，加载方向决定相对方向分布。3.2 基于DIC的3DPRAC宏观裂纹模式分析（DIC based macroscopic crack pattern analysis of 3DPRAC）：通过DIC应变场和Crack Range定量描述裂纹演化。3.2.1 打印诱导各向异性的影响（Effect of printing-induced anisotropy）：以RR-100为代表，通过三个正交方向压缩裂纹演化比较，得出Z向以分布微裂纹和局部压碎为主、Crack Range有限；X向沿弱层间区域出现显著裂纹发展并形成连续主破坏路径，对应较低抗压阻力；Y向呈开–闭–再开模式并发展为倾斜剪切劈裂裂纹。3.2.2 RCA替代率对裂纹模式的影响（Effect of RCA replacement ratio on crack patterns）：通过比较不同RCA替代率下DIC裂纹形态，得出X向由0%明显竖向劈裂转为50%更宽且互连裂纹区、100%更弥散压碎；Y向由低替代倾斜剪切劈裂转为高替代较短且不连续裂纹并伴局部压碎；Z向由0%可见裂纹带转为高替代块状碎裂且无清晰贯穿裂纹，表明RCA增加使脆性劈裂向分布损伤和压碎转变。3.3 基于SEM的3DPRAC微观骨料粘结模式分析（SEM based microscopic aggregate binding pattern analysis of 3DPRAC）：通过SEM-BSE和EDS，得出天然骨料–基体界面在断裂区仍较完整且无明显剥离，RCA–基体界面在无明显骨料断裂区域已可见间隙和局部不连续；EDS显示RCA界面区域Ca、Si、Al、Na等空间分布变化，界面非均质，检测元素以O 35.88 wt%、Si 22.73 wt%、Ca 20.89 wt%为主；这些特征与RCA替代增加时抗压强度降低一致，为裂纹起始提供优先路径，但不作为ITZ孔隙率或界面粘结强度的定量测量。

讨论部分总结：讨论认为加载方向与RCA在不同材料层次发挥作用。加载方向决定荷载如何作用于打印层状架构，裂纹路径沿该架构发展：平行层方向加载时损伤集中于层间平面，X向形成主破坏路径；垂直层方向加载时界面受压，破坏表现为分布微裂纹和局部压碎且裂纹开口有限。RCA改变的是层内填充材料的旧砂浆、颗粒孔隙和颗粒周围界面，颗粒在丝条内随机分布和取向；这种在复合材料尺度上各向同性的变化会按相近比例降低各方向抗力，而不能单独重排方向间关系。因此，随RCA增加，材料变得更弱且更可变形，而控制破坏方式的结构组织得以保留。

研究结论翻译：本研究通过力学测试、DIC全场应变分析和SEM-EDS微观结构表征，研究含再生粗骨料的3D打印混凝土各向异性压缩行为。基于特定打印参数、配合比和养护条件下获得的试验结果，得出以下结论：（1）在测试范围内，RCA替代与打印诱导各向异性近似可分离。在固定打印方案下，所有试件抗压强度均呈一致方向排序Z > Y > X，归一化各向异性系数X/Z和Y/Z在三个RCA替代水平（0%–100%）间变化小于2%。双因素ANOVA确认加载方向占抗压强度总变异73.7%（F=111.99，p<0.001），RCA替代占20.0%（F=30.41，p<0.001），交互作用可忽略（0.30%，F=0.23，p=0.918）。不显著交互作用为在所研究条件下将两因素视为近似独立提供统计支持。（2）RCA替代降低绝对强度水平并提高变形能力。Z向抗压强度由25.02 MPa（0% RCA）降至21.52 MPa（100% RCA），降低约14%，相应峰值应变由0.215%增至0.275%，表明RCA含量提高后向较少脆性行为转变。（3）加载方向控制破坏模式，且该方向控制在不同RCA水平下持续存在。DIC观察表明Z向加载产生分布微裂纹和局部压碎；Y向加载导致倾斜剪切劈裂；X向加载导致沿弱层间平面的竖向劈裂。Crack Range定量测量确认X向局部裂纹开口最显著。这些方向相关破坏模式随RCA含量增加在定性上保持不变，与近似稳定的各向异性系数一致。（4）RCA相关弱ITZ为观察到的强度降低提供微观结构基础。SEM-BSE成像显示天然骨料–基体界面相对致密连续，而RCA–基体界面显示明显间隙、局部不连续和残留附着砂浆。EDS映射确认RCA颗粒周围成分非均质。这些特征为裂纹起始提供优先路径，解释宏观尺度强度系统性降低但不重构方向破坏层级。总之，结果表明在所研究条件下，将RCA掺入3D打印混凝土主要改变力学响应幅值，而打印过程诱导的各向异性特征得以保留。方向修正系数在不同RCA替代率下保持稳定，可作为类似打印条件下工程估算的初步参考（本文中k_dir,X=0.749、k_dir,Y=0.858、k_dir,Z=1）。两因素的相对独立性为简化含RCA打印构件工程评估提供潜力：一旦特定打印工艺的各向异性强度比确定，该比值可应用于不同RCA含量的配合比设计。