《Materials》：Interface-Controlled Structural Behaviour of 3D Printed Concrete: Lessons from Masonry for Anisotropy, Print-Path Design and Standardisation
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3D打印混凝土（3DPC）的结构应用仍受制于一个难题：如何利用主要为浇筑混凝土和传统砌体制定的标准来鉴定这种层状、工艺依赖性材料。本综述通过砌体建造的视角审视3DPC，以阐明界面控制行为应如何被解释、测试和标准化。该比较并非基于材料相似性，而是基于接缝、界面和
3D打印混凝土（3DPC）的结构应用仍受制于一个难题：如何利用主要为浇筑混凝土和传统砌体制定的标准来鉴定这种层状、工艺依赖性材料。本综述通过砌体建造的视角审视3DPC，以阐明界面控制行为应如何被解释、测试和标准化。该比较并非基于材料相似性，而是基于接缝、界面和构件层面荷载传递的共同结构作用。以往多数综述主要讨论可打印性、配合比设计、材料开发或一般力学性能。本综述则将打印界面置于结构鉴定的核心位置，仅将砌体作为解释接缝控制荷载传递的参照。综述表明，抗压强度单独不足以用于结构鉴定，因为打印构件可能因层间剥离、方向依赖性开裂、丝材失稳、钢筋不连续或连接薄弱而发生破坏。弯曲、剪切、循环及地震响应尤其对层间质量、加载方向和打印路径几何形状敏感。现有混凝土、砂浆和砌体标准仍是有用的参考，但需要针对3DPC特有的报告与测试要求。据此，提出了一种分级鉴定路径，从新拌状态表征推进到界面主导的测试和结构尺度验证。
基于论文第1节至第10节的内容，下面对主体部分进行总结：
**1. 引言**
3D打印混凝土（3DPC）已从实验性挤出技术发展为数字建造中最活跃的研究领域之一。其优势在于无需传统模板即可逐层沉积胶凝材料，从而实现更快生产、降低劳动力需求、减少模板相关成本并获得更大几何自由度。然而，打印构件是一种层状胶凝体，其性能取决于新鲜丝材如何沉积、支撑、粘结和硬化。通过砌体建造的视角审视3DPC，核心在于两种体系均受界面控制。砌体中的荷载路径通过块体、砂浆接缝和接触区域传递；3DPC中每个沉积丝材都形成潜在界面，相邻层是作为连续体还是部分粘结的层合体，取决于表面湿度、触变重建、早期水化、打印速度、喷嘴压力、层间时间间隔、表面粗糙度及局部孔隙形成。3DPC的根本困难在于可打印性与层间粘结之间的冲突：泵送和挤出期间混合物需足够流动，沉积后则需迅速发展屈服应力和结构构建能力以保持几何形状。层间粘结控制着从材料强度到构件强度的过渡，打印体可能包含定向孔隙、不完整接触区和平行于打印路径的丝材边界。纤维、矿物掺合料和化学外加剂能改善特定性能，但效果与打印工艺密不可分。现有3DPC文献中纤维和矿物掺合料含量的影响并不总是一致的，这源于各研究间混拌顺序、打印速度和喷嘴几何形状的差异。缺乏成熟标准是结构应用的主要障碍之一，ACI 564委员会、NIST和RILEM TC 304-ADC的实验室间研究均证实了测试结果难以比较的问题。本综述的创新之处在于对3DPC进行结构性解读：将打印层间区域视为必须报告、测试和鉴定的荷载传递区域。
**2. 文献基础与综述范围**
本综述在Scopus、Web of Science和Google Scholar中进行了结构化检索，检索词结合“3D printed concrete”、“interlayer bond”、“anisotropy”、“print-path”、“masonry”、“bed-joint”和“structural qualification”等，时间范围涵盖2007年至2026年发表的文献。检索和筛选流程如图1所示。综述仅限于有助于解释打印层、界面和加载方向如何影响3DPC结构行为的研究。砌体文献仅在提供接缝控制行为、砌筑型式、构件测试或标准化逻辑参考时使用。文献选择分为三步：第一，考察涉及可打印性、可建造性、流变学、层间粘结、正交各向异性、钢筋、力学测试和标准化的研究；第二，纳入涉及接缝、灰缝方向、砌筑型式、棱柱或墙片测试、剪力传递或墙体行为的砌体研究和标准；第三，仅保留对结构响应有直接影响的耐久性、可持续性或配合比改性论文。综述遵循四个相互关联的主题：产生正交各向异性的材料和工艺变量；用砌体概念解释正交各向异性的程度；从材料尺度测试向构件和墙体尺度鉴定的过渡；现有混凝土和砌体标准的有限但有用的可转移性。本综述的审查路线如图2所示，从组成材料和新鲜状态要求出发，进展到层间粘结和各向异性力学响应，再到结构响应，最后连接到标准化问题。
**3. 控制结构行为的组成材料与工艺变量**
砌体与3DPC在材料组成上差异显著，不能仅通过抗压强度进行比较。在砌体中，强度由块体与砂浆接缝的相互作用产生；在3DPC中，强度受混合物流变学、丝材几何形状、层间接触和时变粘结形成耦合作用控制。关键的材料挑战是平衡可建造性与层间粘结：混合物在泵送和挤出期间需充分流动，沉积后需足够刚硬以抵抗自重、挤出压力和上层重量。结构构建过慢会导致丝材铺展、形状损失、局部屈曲或倒塌；过快则导致下层失去表面水分和变形能力，增加冷缝形成风险。因此新鲜状态行为是硬化各向异性的起源之一。纤维在砌体材料和3DPC中作用不同：3DPC中挤出倾向于使纤维沿打印方向排列，纤维掺量增加不一定改善层间抗拉性能。辅助胶凝材料和细填料也引入了类似的权衡：粉煤灰可改善和易性但可能降低早期刚度；硅灰可增加内聚力和结构构建但可能提高需水量；高炉矿渣可降低碳排放但需额外调整以保持挤出质量。化学外加剂进一步说明了3DPC的工艺敏感性。表2总结了代表性砌体材料改性及其与界面控制结构行为的相关性，表3总结了3DPC中控制结构行为的材料和工艺变量。几乎所有工艺参数都主要通过影响层间接触质量来影响结构性能，因此工艺参数必须伴随任何结构结果的报告。
**4. 力学性能：从材料试件到构件行为**
砌体和3DPC的力学表征需要区分材料指标与结构行为。砌体设计行为取决于块体、砂浆接缝、砌筑型式、接缝方向、约束和施工质量的共同作用，棱柱、墙片和墙体试件比单个砖块更具代表性。3DPC同理，打印立方体、棱柱或芯样可能无法完全代表丝材连续性、层间对位、角部沉积、重启区域、路径变化、钢筋中断或墙体尺度失稳。砌体砖强度等级（如3.5-7.5 MPa）与选定的3DPC配合比（可达更高抗压强度）之间的直接比较具误导性，因为它们描述的是不同层次的材料响应。3DPC的力学性能比传统浇筑试件更受生产变量影响：同一胶凝基体在不同喷嘴几何、骨料粒径、纤维含量、打印速度或层间间隔下会显示不同强度。加载方向也起决定性作用。表4给出了代表性砌体砖抗压强度等级，表5总结了3DPC有代表性的力学性能观测结果。报告的抗压强度范围（约75-102 MPa）差异主要源于未一致报告的喷嘴几何、粘结剂化学、纤维含量和试件提取方向。强度在3DPC中是工艺依赖的材料属性。弯曲行为比压缩行为更能暴露层间薄弱，因为裂纹萌生对拉伸缺陷和弱面敏感。剪切和压缩同理。力学鉴定应从孤立的试件测试转向测试层级体系：材料试件确定基本强度指标，层间粘结测试、方向依赖性弯曲和剪切测试、墙体或板件测试、钢筋连续性评估以及包含角部、路径变化和重启的试件应作为补充。关于长期性能，徐变集中在层间而非基体中，收缩开裂与层间条件相关，冻融循环中层间区域优先开裂。RILEM TC 304-ADC实验室间研究表明，弹性模量比抗压强度更容易受层间影响，打印试件达到给定弹性模量需要更高抗压强度。泊松比和断裂能同样具有方向依赖性。最近提出的适应砌体棱柱测试的方法实现了89%和86%的强度-材料比，与砌体棱柱的88%相近，全尺寸墙体压缩试验也证实了3D打印相对于试件预期会降低刚度和抗压强度。
**5. 正交各向异性作为核心结构问题**
正交各向异性是砌体和3DPC不能通过单一强度值评估的主要原因。砌体中各向异性源自相对刚硬的块体与较弱砂浆接缝的共存、灰缝和竖缝的取向、砌筑型式等；3DPC中各向异性源自丝材几何、层间接触、孔隙分布、局部压实、水化状态和纤维取向。层间区域是3DPC各向异性最关键的来源，其薄弱并非仅由视觉分离造成，而是由两个丝材边界处接触质量和微观结构的变化产生。层间间隔期间下层可能失去表面水分、经历触变重建并开始早期水化，降低上层穿透表面不规则性并形成连续胶凝桥的能力。截留空气和打印引起的空隙可能沿丝材表面排列，导致不完整接触区、局部孔隙率增加和粘结力降低。弯曲行为往往比压缩行为对打印方向更敏感。砌体提供了有用的参考，因为砌体设计早已认识到接缝方向控制破坏。纤维增强可减少裂纹张开并改善裂后响应，但不能视为各向异性的通用解决方案。挤出过程中纤维趋向沿打印方向排列，对穿过层间平面的纤维桥接效果有限。各向异性必须作为设计和鉴定问题对待，方向依赖性测试应连接到层间粘结和墙体尺度验证。
**6. 打印路径工程与界面增韧**
层间区域可以通过打印路径工程和界面增韧策略加以改善。基本原理是防止裂纹沿直线连续层边界扩展。开槽或纹理化喷嘴是最直接的方法之一，通过改变沉积丝材的表面几何形状增加粗糙度并在相邻层间形成局部锁结，类似于砌体中的机械互锁。第二种策略是改变打印路径使裂纹无法保持与单一层间平面对齐。旋转型、Bouligand型或螺旋型排列源于天然层状复合材料，通过逐渐改变纤维或片晶取向使裂纹偏转并增加能量耗散。倾斜、编织或交织沉积路径遵循类似原理，通过使丝材交叉、倾斜或互锁来制造层间局部连续性。在某些测试配置下断裂或层间阻力改善可超过100%。这些策略展示了砌体类比的强度和局限：3DPC可以通过刀具路径、喷嘴几何和层序在几乎每一层改变沉积材料拓扑结构，但这也产生了标准化问题，机械测试的报告必须包含丝材宽度和高度、喷嘴几何、层序、打印路径方向、层间时间间隔和加载方向等信息。
**7. 弯曲与剪切行为**
弯曲行为是层状结构体系中界面质量最敏感的指标之一。层间区域控制弯曲响应，因为弯曲产生对弱面高度敏感的拉伸应力。若拉伸区与粘结不良的界面相交，裂纹可能沿层边界扩展且阻力有限；若裂纹被迫横穿粘结良好的丝材，试件可调动更大比例的胶凝基体和纤维桥接机制。同一混合物的两个试件在不同方向提取或加载时会显示不同弯曲强度。3DPC弯曲强度不应仅作为打印混合物的属性呈现，应连同层高、丝材宽度、打印方向、层间时间间隔、试件提取和加载方向一起报告。剪切行为遵循同样的界面控制逻辑。砌体抗剪由砂浆内聚力、摩擦、灰缝法向应力、块体表面粗糙度、钢筋和约束控制；3DPC抗剪取决于层间粘结、丝材几何、表面粗糙度、机械互锁、纤维取向和钢筋连续性。若潜在剪切面与弱层间区域重合，响应由打印界面的内聚力和摩擦控制；若剪切面切割丝材或横穿机械互锁层，则阻力更高。纤维增强或ECC型可打印混合物需谨慎解释，材料试件的高拉伸延性或应变硬化不自动转化为墙体尺度的抗剪能力。弯曲和剪切测试应以方向依赖性形式进行和报告，至少区分沿打印方向加载、层面内垂直打印方向加载和跨建造方向加载。
**8. 动力、循环与地震响应**
动力和抗震性能是结构3DPC中最不成熟但最重要的领域。地震激活了砌体异质性所致的薄弱环节，如灰缝滑移、对角开裂、摇摆、面外弯曲等，这些机制不受单一抗压强度控制。3DPC在动力、循环和地震荷载下的现有证据仍有限，已有研究表明各向异性影响动力压缩响应、裂纹取向、刚度退化和波传播测量。在循环或准静态侧向荷载下，打印墙体的响应由墙体构型、高宽比、轴力、钢筋策略、层间粘结和连接细部控制。层间区域在循环荷载下尤其重要，反复应力反向会逐步降低弱界面的性能，单调试验可能显示足够承载力，但循环加载时开合、滑移和摩擦退化会在同一界面累积。钢筋只有在提供连续可靠的荷载路径时才改善循环和抗震性能，钢筋与打印混凝土、灌浆、钢插件和边界构件之间的连接应视为抗震荷载路径的一部分。砌体类比在此语境中有用，因为砌体抗震设计不依赖单元测试，而是使用构件测试、墙体试验、钢筋细部、约束、锚固规则和面内面外作用的经验或半经验校验。3DPC试验计划应包括墙板、边界条件、钢筋布局、层间构型、开口、接缝和连接，以代表实际施工。
**9. 标准化：可转移原则与必要修正**
标准化是实验室规模成功打印与可靠结构应用之间的决定性障碍之一。现有砂浆、砌体和混凝土标准均不能完全描述打印胶凝材料的层状、工艺依赖性和正交各向异性特征。新鲜砂浆和净浆标准可用于测量和易性、稠度、流动性和硬化砂浆强度，但不能直接量化泵送性、挤出性、形状稳定性、开放时间、结构构建或层间粘结能力损失。砌体标准更具相关性，因为它们认识到了材料单元与构件之间的区别，棱柱、墙片、弯曲、粘结和剪切测试评估单元与接缝的相互作用，但砌体接缝是刻意形成的砂浆缝，而3DPC包含工艺生成的层间。混凝土标准仍是基本压缩、弯曲和拉伸表征所必需的，但传统混凝土测试假定试件在测试尺度上相对均匀，而3DPC试件可能包含层边界、定向孔隙、不同压实历史、重启、角部和方向依赖性弱面。表6总结了选定砂浆、砌体和混凝土相关标准与3DPC的关系。提出的标准化路径如图10所示，是一个分级鉴定框架：第一级表征新鲜材料在泵送性、挤出性、开放时间、结构构建、形状稳定性和表面水分保持方面的性能；第二级评估多方向硬化的试件，包括沿打印方向、垂直打印方向和跨建造方向加载；第三级聚焦界面主导的试件，进行直接拉伸、劈裂、剪切和断裂测试，报告层间时间间隔、层高、喷嘴几何、表面条件、提取位置、界面数量和养护制度；第四级在轴力、弯曲、剪切和循环荷载下测试打印板或墙段，纳入实际打印路径、角部、开口、重启和钢筋细部；第五级将测试结果连接到设计值。提出的转移矩阵见表7，强调砌体的核心经验是结构行为必须在构件层面评估。该框架与ACI 564委员会当前仅提供术语和一般指导不同，与RILEM TC 304-ADC侧重建立个别结果的实验室间可比较性也不同，它明确地将新鲜状态表征、方向依赖性试件测试、界面主导测试和墙体尺度验证连接到单一鉴定路径中。
**10. 结论**
3DPC应被视为一种层状结构材料，其性能由配合比设计和打印历史共同创造。粘结剂类型、骨料级配、外加剂化学、纤维含量和矿物掺合料通过与泵送性、挤出性、结构构建、表面水分、层间间隔、喷嘴几何和打印路径的相互作用影响结构性能。高强度、低成本的打印构件若存在弱层间、钢筋连续性差或方向依赖性破坏路径，则不足以用于结构鉴定。层间区域是连接材料设计与结构性能的关键特征，不完整接触、水分损失、触变重建、早期水化、孔隙排列和可变压实导致其薄弱。层间粘结应作为主要结构属性对待。现有砂浆、混凝土和砌体标准仅可作为部分参考。未来三个优先研究空白：第一，需建立共享的最低报告协议，基于第9节提出的分级鉴定框架；第二，试件尺度测试结果向墙体和板件尺度结构响应的转移仍未充分发展，需要类似砌体设计的尺度转移方法；第三，时变结构性能（徐变、收缩开裂和层间疲劳）与短期力学响应相比严重研究不足，需要在层间尺度上针对这些机制开展专项试验。解决这三个空白将推动3DPC从示范性可打印性走向规范认可的结构鉴定。
