《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Concrete printing with textile reinforcement: Approaches, classification, and testing
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增强材料的集成仍然是3D混凝土打印（3DCP）中的关键挑战，并持续限制其结构应用。现有方法主要基于金属增强材料或离散纤维，与增材制造的几何灵活性和工艺特性不完全兼容。纺织增强材料由连续纤维基纱线组成，排列成二维或三维结构，因其柔韧性、高抗拉强度和耐腐蚀性而成为
增强材料的集成仍然是3D混凝土打印（3DCP）中的关键挑战，并持续限制其结构应用。现有方法主要基于金属增强材料或离散纤维，与增材制造的几何灵活性和工艺特性不完全兼容。纺织增强材料由连续纤维基纱线组成，排列成二维或三维结构，因其柔韧性、高抗拉强度和耐腐蚀性而成为一种有前景的替代方案。本文提出了一项全面的综述，并提出了一个基于过程的分类框架，用于将纺织增强材料集成到3DCP中。研究人员基于RILEM数字混凝土制造分类法，根据集成策略在制造序列中的位置进行了系统分类，区分了混凝土成型过程中的单步工艺和成型前或成型后的两步工艺。该框架用于分析现有方法，并将其与增强配置、粘结机制及由此产生的力学性能相关联。特别关注了测试方法以及与增材制造纺织增强混凝土相关的特定挑战。本研究强调了关键局限性，特别是在粘结、各向异性和工艺约束方面，并为开发结构高效且可扩展的3D打印系统提供了指导。
论文主体部分内容总结如下：
**2. 纺织物作为混凝土增强材料**
**2.1 概述**：纺织增强混凝土（TRC）的发展源于对矿物基体进行纤维增强的概念。早期研究发现，平面非浸渍纺织物因单丝间内部粘结不足而限制了强度利用率。浸渍处理（有机聚合物树脂或矿物基体系）成为当前技术现状，可增强纱线内部荷载传递、提高耐久性并便于加工。纺织增强材料从单丝到纱线、平面纺织物再到空间增强结构的分层结构，是理解其力学行为及与水泥基体相互作用的关键。
**2.2 表面改性及粘结增强**：纺织增强网格的经编或机织结构在浸渍和嵌入混凝土后基本保持不变，并显著影响粘结行为。纤维的拉伸效率与复合材料的粘结性能之间存在基本权衡。为提高粘结性能，发展了多种表面改性技术，如砂涂层（在未固化树脂基体中嵌入颗粒以形成粗糙表面）以及压痕、轮廓化等表面结构化方法。
**2.3 三维纺织配置**：纺织系统可配置成三维结构以实现特定结构功能，如抗剪增强、边缘增强或空间荷载传递。未浸渍或柔性浸渍的纺织物因可敷设于双曲面，在复杂几何形状中具有优势。三维纺织物的力学性能受增强几何形状和成型工艺影响，关键参数包括弯曲半径（芯轴直径）和成型过程中的拉伸应力。
**2.4 实验表征**：单轴拉伸试验是表征纺织增强材料的主要方法，可在多个尺度进行：单丝、非浸渍粗纱或纺织样品、浸渍纺织物（单个纱线、纺织片段、增强混凝土条带或复合材料试件）。测试方法需明确说明，以准确报告力学性能。
**2.5 粘结与锚固行为**：纺织增强材料与混凝土之间的粘结由三种基本机制控制：粘附力、机械互锁力和摩擦力。与钢筋不同，纺织系统更依赖粘附力和摩擦力。粘结行为强烈依赖于横向刚度和表面特性。典型粘结损伤和失效机制包括界面脱粘、混凝土肋剪切破坏、横向筋剪切破坏、混凝土锥体拔出、纵向及劈裂裂缝以及增强层内分层。表征方法常用单侧拔出（SPO）试验和双侧拔出（DPO）试验。
**3. 纺织增强材料集成到3DCP的分类框架**
基于RILEM框架，本研究提出以过程为导向的分类框架，考虑时间顺序、增强几何形状及增强与基体的相互作用机制，将集成策略分为两类：
- **I. 混凝土成型过程中的集成（单步工艺）**：包括 (i) 夹带增强（沉积前整体夹带），(ii) 层间放置（在连续层之间放置纱线或2D纺织物），(iii) 跨层包裹（垂直或倾斜放置纺织元件，随后部分包裹），(iv) 穿透式插入（通过机械穿透将增强材料插入新鲜混凝土）。
- **II. 两步工艺**：包括 (a) 混凝土成型前集成（成型性集成：增强材料提供结构支撑；非成型性集成：增强材料不提供支撑），(b) 混凝土成型后集成（增强材料在绿色或硬化混凝土中放置，或用于组装多个打印元件的后张拉）。
该分类与现有文献中的时间分类（过程内、层间、过程后）相关，但决定性参数是增强材料与基体之间的相互作用机制。
**4. 纺织增强材料在3D混凝土打印中的集成策略及分类框架扩展**
**4.1 夹带增强**：单步工艺，包括流基拉挤（FBP）和共挤。FBP中，连续纱线在挤出过程中通过打印头被流动砂浆浸渍并牵引，但严格流变要求（低屈服应力与高屈服应力平衡）是主要挑战，且增强材料为单向，限于挤出方向。共挤中，预浸渍纱线或窄纺织带通过打印头直接喂入，增强材料可偏心放置，但浸渍控制有限，且可能影响层间粘结强度。
**4.2 层间放置纺织增强材料**：单步工艺，增强材料在连续层之间手动或自动放置，可灵活配置方向（纵向、横向或倾斜），但粘结质量取决于层间界面条件，存在空隙形成和层间粘结强度降低的风险。
**4.3 跨层包裹纺织增强材料**：单步工艺，垂直或倾斜放置纺织元件，随后层层包裹，可实现垂直于层间界面的增强，但需确保完全包裹，流变控制不当易导致空隙，且需精确同步。
**4.4 跨层穿透增强**：单步工艺，使用针状系统将连续纱线插入多层新鲜混凝土，形成缝合式增强模式，几何灵活性高，可引入垂直方向增强，但工艺复杂，需精确同步，且粘结质量依赖于注入的水泥浆。
**4.5 预安装增强材料支撑混凝土**：两步工艺成型性集成，预成型纺织网格在混凝土沉积前作为永久模板，实现非平面几何形状，但需确保增强材料机械稳定性及混凝土充分穿透网格。
**4.6 预安装增强材料不支撑混凝土**：两步工艺非成型性集成，增强材料（网格或笼）在打印前放置于打印床或垂直安装，随后被混凝土包裹，需确保充分包裹，但存在空隙和工艺约束。
**4.7 打印后放置增强材料**：两步工艺，增强材料在打印完成后表面或内部安装，灵活性高，可局部加固，但工艺步骤多，粘结质量是关键挑战。
**4.8 增强材料用于组装多个打印元件**：两步工艺，通过预应力或螺栓连接多个打印元件，纺织增强材料锚固困难，通常优先使用钢筋，但纺织系统可用于耐腐蚀或轻量化需求。
**5. 3D打印TRC的力学测试**
**5.1 控制机制**：力学性能由增强材料、混凝土基体和层状结构相互作用控制。纤维-基体粘结质量是关键参数，弱粘结导致应力集中和过早破坏，强粘结促进应力重分布和多裂缝发展。
**5.2 测试3D打印TRC的单轴拉伸性能**：使用单轴拉伸试验评估，增强材料表现出应变硬化行为和渐进式多裂缝，但粘结质量和纤维体积分数显著影响响应。
**5.3 测试TR与打印混凝土之间的粘结**：拔出试验用于评估粘结行为，包括纱线双面拔出和纺织网格拔出。层间粘结质量受流变性能和时间延迟影响，纺织增强可能降低层间粘结强度并导致空隙。
**5.4 测试弯曲性能**：弯曲试验显示纺织增强显著提高弯曲强度并转化为延性破坏，增强层数、网格间距和涂层材料对性能有影响，有效粘结是发挥增强能力的关键。
**6. 纺织增强材料在3D混凝土打印中的结构应用**
**6.1 概述：从工艺到结构**：结构性能由增强方向、连续性、锚固和截面位置决定，而非仅数量。3DP-TRC应被视为设计范式，实现几何、材料分布与荷载路径的匹配。
**6.2 单轴增强的结构化构件**：连续单轴增强（如流基拉挤）沿打印方向对齐，通过结构设计利用各向异性，实现高效传力，但横向性能受限。
**6.3 带有连续纱线增强的壳体结构**：壳体结构利用膜作用高效传力，通过流基拉挤制造连续碳纱线增强壳体，展示低纤维体积分数下的延性和多裂缝行为。
**6.4 层状和交叉层系统：向复合材料行为发展**：多层方法（如[0°/90°/90°/0°]）实现准正交各向异性行为，增强荷载重分布和延性，成为“打印复合材料结构”的关键步骤。
**6.5 带有二维纺织增强材料的肋板壳结构**：采用倒置制造策略，先打印模板和支撑，放置预成型增强材料，再打印肋板，结合干式连接和后张拉，实现模块化装配，展示了高承载能力和减材潜力。
**6.6 讨论：潜力与当前局限**：主要潜力在于材料行为与结构几何的集成，而非简单替代钢筋。粘结和包裹仍是关键挑战，制造约束直接影响结构设计可能性。不同集成策略适用于不同结构功能，但缺乏系统定量比较。混合和分阶段制造方法将在未来发展中发挥核心作用。
**7. 结论**：本研究提出了纺织增强材料集成到3DCP的基于过程的分类框架，得出以下结论：工艺兼容性主导增强策略；纺织增强材料提供高几何和材料兼容性；粘结行为仍是关键挑战；力学性能强烈依赖于工艺；测试方法需适应增材制造。未来研究需改进粘结和包裹、推进工艺集成和自动化、标准化测试和设计方法、开发利用各向异性的结构设计方法，以及向工业实施扩展。
