《Composite Structures》：In-process embedded FRP grid for enhanced flexural performance of 3D printed concrete plates
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为解决3D打印混凝土(3DPC)因逐层沉积导致钢筋布置困难、抗弯性能差及高孔隙率加速钢材腐蚀等问题，研究人员开发了双喷嘴系统实现纤维增强聚合物(FRP)网格在打印过程中的原位植入。研究表明该方法使抗弯强度、能量吸收能力和延性分别提升达110.2%、1744.3%和479.2%，为高性能水泥基复合材料的自动化建造提供了新路径。
当传统的建筑方式遇上数字化制造浪潮，3D打印混凝土(3D printed concrete, 3DPC)技术应运而生。这项技术通过逐层堆叠的方式自由成型，不仅摆脱了模板的束缚，大大提升了施工效率，还为建筑设计带来了前所未有的灵活性。然而，正当人们为其潜力欢呼时，两个棘手的问题浮出水面：一方面，层层堆积的施工特性使得像在传统混凝土中那样放置钢筋变得异常困难，导致3D打印的混凝土构件抗弯能力很弱；另一方面，由于缺乏振捣压实，3D打印的混凝土内部往往存在更多孔隙，如果使用钢筋，这些孔隙会加速钢筋锈蚀，严重影响结构耐久性。
面对这些挑战，广东工业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了纤维增强聚合物(Fiber-Reinforced Polymer, FRP)这种材料。FRP具有轻质高强、耐腐蚀、易弯曲等优点，是替代钢筋的理想材料。但问题在于，现有的FRP增强方式仍需人工操作，无法与3D打印的自动化过程完美融合。为此，研究团队创新性地开发了一套双喷嘴系统，能够在混凝土打印的同时，将FRP网格自动植入其中，真正实现了增强过程的自动化。
为了验证这一创新方法的有效性，研究人员开展了系统实验。他们通过三点弯曲试验评估了FRP网格性能和打印参数对抗弯性能的影响，利用汞侵入测孔法(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)分析界面孔隙结构，并借助扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)观察界面形貌特征。研究还特别关注了功能梯度混凝土(Functionally Graded Concrete, FGC)的应用，通过在不同区域使用不同性能的混凝土（如抗压区使用碱激发混凝土(Alkali-Activated Concrete, AAC)，抗拉区使用纤维混凝土(Fiber Concrete, FC)），进一步提升构件性能。
关键技术方法包括：开发双喷嘴设备实现FRP网格在混凝土打印过程中的同步植入；通过可打印性测试（包括建造性、开放时间、挤出性和流动性）确定混凝土配合比；采用三点弯曲试验量化抗弯性能指标（抗弯强度、能量吸收能力、延性指数）；利用MIP和SEM分别表征界面孔隙结构和微观形貌。
研究结果：
3.1. 3DPC的可打印性
通过系统测试确定了纤维混凝土(FC)和碱激发混凝土(AAC)的最佳配合比。随着羟丙基甲基纤维素(HPMC)用量的增加，FC的开放时间和流动性降低，而残余高度增加。随着硅酸钠(PSM)用量的增加，AAC也表现出类似趋势，但建造性得到提升。最终选择含0.1% HPMC的FC和含12.5% PSM的AAC用于制备FRP网格增强3D打印功能梯度混凝土(F-3DPFGC)板。
3.2. FRP网格增强3D打印FGC板的弯曲行为
负载-挠度曲线分析表明，未增强的3DPC板表现出脆性破坏特征，而F-3DPFGC板则表现出明显的硬化阶段和多裂缝发展模式。破坏模式观察发现，FRP网格的加入将破坏模式从单一主裂缝转变为延性多裂缝模式。性能参数量化显示，增加FRP网格含量和挤出速率可显著提升抗弯性能，而增加喷嘴移动速度、间隔时间和喷嘴间距则会产生负面影响。特别值得注意的是，通过优化打印参数（如移动速度和挤出速率）获得的性能提升甚至超过了单纯增加FRP网格用量的效果。
3.3. 汞侵入测孔法分析
孔隙结构分析表明，FRP网格的植入会增加层间孔隙率，尤其是大于5000纳米的孔隙比例。打印参数对孔隙结构有显著影响：增加挤出速率可降低孔隙率，而增加移动速度、间隔时间和喷嘴间距则会增加孔隙率。当间隔时间超过30分钟时，孔隙率急剧增加，表明存在一个关键的时间窗口。
3.4. 粘结界面对抗弯性能的影响
基于孔隙分布特征提出了粘结界面分区模型，将界面划分为密实区和缺陷区。SEM观察发现界面处存在大量孔隙，这些孔隙会引发混凝土基体开裂并形成连通孔隙网络，是影响抗弯性能的关键因素。孔隙的不规则几何形状会导致应力集中，引发局部开裂，进而影响破坏模式。
3.5. 环境分析
对二氧化碳排放的比较分析表明，FRP材料的单位强度二氧化碳排放量低于钢材。功能梯度混凝土(FGC)的二氧化碳排放量也低于普通混凝土，表明F-3DPFGC结构在降低碳排放方面具有优势。
研究结论表明，通过双喷嘴系统实现FRP网格在混凝土打印过程中的原位植入是可行的，能显著提升3D打印混凝土构件的抗弯性能。打印参数，特别是挤出速率、移动速度和间隔时间，对性能有决定性影响。界面孔隙结构是控制性能的关键因素，优化打印工艺可以改善界面质量。该技术为开发高性能、高耐久性、低环境影响的3D打印混凝土结构提供了重要技术路径，推动了数字化建造与可持续建筑需求的深度融合。未来研究应关注打印工艺优化、功能材料开发、长期耐久性评价和智能制备方法，以促进该技术向实用化方向发展。
