近日，西安建筑科技大学刘超教授、白国良教授课题组在混凝土领域顶级期刊《Cement and Concrete Composites》发表以《Effects of pore defects on interfacial bonding between rebar and 3D printed coarse aggregate concrete under multiple loading conditions》为题的重要研究成果，系统揭示了多荷载条件下孔隙缺陷对钢筋与 3D 打印粗骨料混凝土界面粘结性能的影响机制。
研究背景
3D 打印混凝土（3DPC）采用层状挤压工艺，形成了与传统浇筑混凝土截然不同的各向异性微观结构。加入钢筋后，层间薄弱面与钢筋诱导的界面缺陷同时存在，严重影响粘结界面完整性。
目前 3D 打印混凝土研究多集中于砂浆体系，缺乏粗骨料导致钢筋 - 混凝土粘结性能弱、结构强度不足；而加入粗骨料迈向高性能混凝土时，又面临材料性能和打印工艺的严苛要求 —— 塑性粘度与挤出压力增加，难以实现钢筋周围的致密包裹。
更关键的是，3D 打印的无振动层状沉积改变了荷载传递机制，钢筋取向成为关键影响因素，纤维与钢筋接触区易集中孔隙缺陷，减少有效粘结面积并引发应力集中。现有研究对粗骨料如何从根本上改变界面缺陷形态和连通性缺乏充分揭示。
研究方法与实验设计
材料与试件制备
研究团队选用 P・O 42.5 普通硅酸盐水泥等胶凝材料，搭配 5~12mm 天然粗骨料、河砂及化学外加剂，制备 3D 打印天然粗骨料混凝土（3DPNAC）和 3D 打印砂浆（3DPM）。
（a）天然粗骨料（NCA）；（b）细骨料；（c）钢筋
设计两类试件方案：
• 层间力学性能测试：三层纤维堆叠，钢筋粘结长度 80mm；
• 粘结滑移性能测试：八层纤维堆叠，设置平行、垂直、45° 三种钢筋取向，锚固长度 50mm。
同时制备传统浇筑试件作为对照组，确保实验对比的科学性。
多维度测试表征
为全面揭示界面作用机制，研究团队采用了多尺度、多方法的测试体系：
1. 宏观力学性能测试：采用电子万能试验机进行层间拉伸、剪切及粘结滑移测试，系统获取强度数据和完整的粘结滑移曲线，定量评价界面承载能力。
2. 三维孔隙结构表征：利用X 射线计算机断层扫描（X-CT）技术，无损定量表征界面孔隙结构参数、空间分布及几何形态，实现孔隙缺陷的三维可视化与量化分析。
3. 微观损伤观测：通过扫描电子显微镜（SEM）高分辨观察不同荷载条件下界面的微观损伤特征、裂纹扩展路径及界面过渡区形貌。
4. 数值模拟分析：结合有限元模拟，深入分析孔隙缺陷引发的应力集中效应，以及不同钢筋取向对界面应力分布和损伤演化的影响规律。
试件制备示意图：（a）层间剪切和拉伸试验；（b）粘结滑移强度试验
（a）加载装置；（b）层间拉伸试验示意图；（c）层间剪切试验示意图
（a）粘结滑移试验加载装置；（b）加载装置详细示意图
X 射线计算机断层扫描（X-CT）试验试件的分割与处理
X 射线计算机断层扫描（X-CT）下钢筋周围天然粗骨料（NCA）的分布
注：更多论文配图请查阅原文：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2026.106479！
核心发现
1. 施工方式重塑界面孔隙形态
浇筑试件的孔隙呈孤立随机分布，而3D 打印工艺使钢筋界面形成沿打印路径分布的连通孔隙网络。粗骨料虽能将 3DPC 整体孔隙率从 3.4% 降至 2.8%，但在钢筋界面因几何阻碍导致孔隙率飙升至 7.3%，且孔隙形态极不规则。
2. 粗骨料的 "强化效应" 超越 "孔隙弱化"
尽管 3DPNAC-R 的界面孔隙率大幅增加，但其层间抗拉强度和剪切强度分别比 3DPM-R 高出 57.6% 和 70.3%，层间剪切强度达到抗拉强度的 4.2 倍。粘结滑移强度呈现明显各向异性（平行＞垂直＞45°），3DPNAC-R 的粘结强度显著优于 3DPM-R，但所有打印试件强度均低于传统浇筑混凝土。
3. 界面破坏的双重控制机制
钢筋界面的破坏行为是孔隙缺陷弱化与粗骨料强化共同作用的结果：
• 拉伸荷载下：沿钢筋分布的连通孔隙减少有效粘结面积并加速裂纹扩展
• 剪切和粘结滑移荷载下：粗骨料在界面区的机械咬合作用成为提升界面承载能力的关键
4. 界面结构分区新框架
研究创新性提出钢筋界面结构分区框架，将钢筋界面划分为：
• 孔隙缺陷区：应力集中、裂纹萌生区
• 强化区：粗骨料机械咬合主导区
• 致密区：基体密实、性能稳定区
这一框架为通过微观结构调控优化 3DPC 钢筋界面力学性能提供了重要理论基础。
研究意义
本研究明确了 3D 打印混凝土 "工艺 - 结构 - 性能" 的内在关联，揭示了钢筋 - 混凝土界面孔隙诱导弱化与骨料诱导强化的核心矛盾，为优化 3DPC 结构的配筋策略提供了关键机理参考。未来研究应聚焦先进制造工艺和新型材料设计，进一步改善界面融合效果、减少孔隙形成。
如需了解更多详细研究数据与完整分析内容，可查阅原文：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2026.106479
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