CFRP（碳纤维增强聚合物）筋增强3D打印混凝土梁的剪切性能：实验参数分析与设计方法评估

《Engineering Structures》：Shear behavior of 3D-printed concrete beams with CFRP reinforcement: An experimental parametric analysis

　　

为探究3D打印混凝土（3DPC）梁中碳纤维增强聚合物（CFRP）筋的剪切性能，研究人员开展了一项包含16根试件的三点弯曲实验参数分析。研究人员将3D打印梁与传统浇筑参考梁进行了对比，以评估逐层制造工艺对结构响应的影响。实验变量涵盖剪跨比（??）、纵向配筋率（??_l）、横向配筋率（??_s）、构件高度（?）以及打印间歇时间。结果表明，浇筑试件呈现出更为分散的开裂模式以及更高的裂缝密度，而打印试件的破坏通常由单一主导剪切裂缝控制。打印间歇时间对剪切承载力具有显著影响：经15分钟暂停的试件承载力提高＋48%，而经60分钟暂停的试件承载力降低?28%。剪跨比的影响与常规钢筋混凝土（RC）中已知趋势基本一致：非细长梁（??≈2）表现出压缩撑杆主导的传力机制，而细长梁（??>2）则由经典剪切传递机制控制。构件高度变化未呈现出明确的尺寸效应。对现行FRP设计规范——包括ACI 440.11-22、CSA S806-12以及DAfStb指南——的评估表明，所有被考察的设计方法均普遍高估了CFRP筋增强3DPC梁的实验剪切承载力。本研究表明，尽管传统RC中若干基本剪切传递机制在CFRP增强3DPC梁中仍然有效，但打印诱导界面与筋材粘结条件可能对结构响应起控制性作用，因此在承载3DPC结构的设计与制造中需予以特别关注。

**论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

混凝土作为全球应用最广泛的建筑材料，其关键组分水泥的CO₂排放量约占全球总量的8%，推动着学界持续寻求降低其环境影响的策略。3D打印混凝土（3DPC，3D-printed concrete）作为一种无需模板的数字化建造工艺，能够实现几何优化结构的制造，减少材料浪费，是面向可持续基础设施的重要技术路径。然而，挤出式逐层制造工艺也引入了各向异性行为：层间界面往往是薄弱环节，可能削弱层间粘结强度（interlayer bond strength），影响剪切传递机制，使得传统钢筋混凝土（RC）剪切理论对3DPC的适用性存疑。

在增强策略方面，碳纤维增强聚合物（CFRP，carbon fiber-reinforced polymer）筋材凭借高比强度与耐腐蚀性，相比传统钢筋具有明显优势。然而，CFRP筋材缺乏屈服平台、弹性模量较低、与混凝土的粘结性能通常较弱，这些差异可能促进脆性剪切主导破坏模式，并降低应力重分布能力。此外，在3D打印过程中，传统封闭箍筋的集成极为困难，亟需探索如L型纺织CFRP格栅等替代剪切增强方案。目前，关于增强3DPC构件的剪切响应——尤其是打印诱导界面、筋材粘结条件与经典剪切传递机制之间的相互作用——研究仍十分有限，缺乏系统的参数化实验。基于此，本研究开展了16根CFRP筋增强3DPC梁的三点弯曲实验，系统考察剪跨比、纵筋与箍筋配筋率、打印间歇时间及构件尺寸对裂缝发展、破坏机制与剪切承载力的影响，并以现行FRP设计规范评估其实验结果。

**二、主要技术方法概述**

本研究在德国亚琛工业大学结构混凝土研究所的数字建造实验室完成试件制备，采用六轴KUKA机器人搭载单轴线性轨道进行挤出式打印。打印材料选用Weber 3D 160-1高性能干混砂浆（最大骨料粒径2 mm，开放时间60 min），纵向增强采用solidian公司生产的单轴向CFRP筋材（直径4 mm至10 mm），横向增强采用ANTICRACK Q95-CCE-38型对称喷砂CFRP格栅预制成L型三维增强单元。实验共16根试件，其中14根为3D打印、2根为传统浇筑对照梁（B0-CAST和BS-CAST），分无箍筋B0系列（10根）与有箍筋BS系列（6根）。所有试件在三点弯曲加载下进行准静态试验，加载速率为0.5 mm/min，采用线性可变差动变压器（LVDT）测量挠度与混凝土应变，通过数字图像相关（DIC）系统记录剪切跨度内裂缝的萌生与扩展。

**三、主要研究结果**

**3.1 制造工艺（Fabrication method）的影响**：在B0系列中，浇筑试件B0-CAST仅比打印试件B0-0的剪切强度高出2%，但裂缝模式差异显著——浇筑试件形成11条裂缝、平均裂缝间距101.7 mm，而打印试件仅6条裂缝、间距188.5 mm，表明浇筑试件中更为有利的粘结条件促进了更分散的裂缝分布。在BS系列中，浇筑试件BS-CAST的剪切承载力比打印试件BS-0高出48%；BS-CAST产生16条裂缝，而BS-0仅9条，表明3D打印可能不仅削弱了纵筋的粘结行为，也对箍筋的粘结性能产生了不利影响。

**3.2 剪跨比（Shear slenderness）的影响**：非细长梁B0-L2和BS-L2（??≈2）展现出压缩撑杆主导的传力机制，其剪切强度显著高于细长梁；细长梁（??=3.1~4.9）的剪切强度则彼此接近，遵循经典剪切传递机制。带箍筋的细长梁（BS-0与BS-L4.5）的平均承载力为无箍筋对应梁的2.7倍，而非细长梁BS-L2仅为对应无箍筋梁的1.2倍，印证了箍筋贡献随剪跨比减小而降低的经典认识。

**3.3 纵向配筋率（Longitudinal reinforcement ratio）的影响**：在B0系列中，纵向配筋率从0.15%（B0-R4）增至0.59%（B0-R8）时，剪切承载力相应提高。然而，BS-R10（??_l=0.89%，2?10）的剪切承载力反而比BS-0（??_l=0.54%，2?8）低11%，推测10 mm筋材直径过大，在薄层混凝土中严重减小了层间界面处的混凝土接触面积，损伤了层间粘结与筋材-混凝土力传递。

**3.4 打印暂停（Printing pause）的影响**：15分钟暂停试件B0-15min的承载力比参考梁B0-0高48%，裂缝更分散（8条 vs. 6条），暗示暂停可能改善了局部筋周粘结条件；而60分钟暂停试件B0-60min承载力降低28%，其破坏由中高处的层间脱粘（interlayer delamination）控制，上下两半梁几乎作为两个独立构件发生破坏。

**3.5 尺寸效应（Size effect）**：B0-H27（?=270 mm）因沿纵筋水平的局部脱粘而过早破坏，破坏模式不同于经典尺寸效应；B0-H31.5（?=315 mm）的剪切应力承载力低于B0-0，与经典尺寸效应趋势定性一致，但构件高度效应与局部粘结及界面条件存在交互作用，尚需更多数据验证。

**3.6 横向配筋率（Transverse reinforcement ratio）的影响**：双倍箍筋试件BS-R10-2Q95（??_s=0.46%）的承载力为BS-R10的1.38倍，裂缝数从7条增至12条，平均裂缝间距与最大裂缝宽度均显著降低，体现了更多箍筋带来的裂缝控制改善。

**3.7 荷载-挠度行为**：浇筑试件B0-CAST的整体割线刚度（??_0.4=6.7 kN/mm）和开裂后刚度（??_pc=3.0 kN/mm）均高于打印试件B0-0（??_0.4=2.5 kN/mm，??_pc=1.7 kN/mm），与其更分散的裂缝模式一致。B0-60min的开裂后刚度最低（??_pc=1.4 kN/mm），与其界面脱粘主导的破坏模式吻合。剪跨比减小导致刚度和承载力同步显著增大。B0-H27尽管整体刚度高于B0-H31.5，但因过早脱粘而在较小位移处破坏。

**3.8 现行FRP设计规范评估**：研究人员将实验结果与ACI 440.11-22、CSA S806-12及DAfStb指南预测值进行比较。对于无箍筋B0系列，ACI 440.11-22的??_R,calc/??_R,exp均值为1.31，CSA S806-12为2.00，DAfStb指南为1.92，三者均普遍高估了实验承载力。BS系列中，CSA S806-12比值均值最低（1.22），但仍不可视为对剪切机制的准确表征。总体而言，直接将现行FRP设计规范应用于挤出式3DPC构件可能导致显著的非保守预测，应谨慎对待。

**四、研究结论与讨论**

本研究得出以下核心结论：（1）除打印暂停60分钟试件外，所有试件均通过经典RC剪切机制（弯剪破坏或沿纵筋脱粘）发生整体破坏，但若干打印试件表现出明显的层间脱粘现象；（2）3D打印可能削弱纵筋及箍筋的力传递效能，尤其体现在BS系列中打印试件较浇筑对照试件承载力大幅降低；（3）剪切承载力随剪跨比增大而降低的趋势与常规RC已知规律一致，箍筋贡献随剪跨比减小而下降；（4）打印间歇时间对结构响应具有决定性影响——15分钟暂停可提高承载力，60分钟暂停导致严重层间脱粘和承载力骤降；（5）对于所研究的打印配置与截面尺寸，过大的纵筋直径可能对关键层间界面处的力传递产生不利影响；（6）现行FRP设计规范普遍高估了CFRP增强3DPC梁的剪切承载力，凸显了建立能充分反映3DPC各向异性特性及替代增强系统行为的剪切设计模型的迫切需求。研究同时强调，上述结论受限于所考察的参数范围和单试件配置，未来需就筋材直径与丝层厚度之比、梁宽效应、打印路径方向以及打印中断与界面强度、剪跨比之间的交互作用等方面开展进一步研究。