《Journal of Building Engineering》：Experimental characterization and theoretical modeling of the bonding behavior between FRP bars and 3D printed strain-hardening cementitious composites
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3D打印应变硬化水泥基复合材料与FRP钢筋粘结行为研究，分析碳、玄武岩、玻璃FRP三种材料及不同方向的粘结强度与失效模式，提出基于厚壁筒模型的粘结滑移本构模型，验证其预测精度。
张彤|魏金辉|陈萌|于康豪
东北大学资源与土木工程学院，沈阳，110819，中国
摘要
由于具有优异的韧性和高效的施工效率，3D打印应变硬化水泥基复合材料（3DP-SHCC）在工程结构中已成为研究热点。然而，3DP-SHCC与FRP筋之间的粘结行为仍不明确。本研究设计并实施了一系列拔出试验，以探讨不同类型FRP筋（即玄武岩FRP筋、碳纤维FRP筋和玻璃纤维FRP筋）及其布置方向对3DP-SHCC各向异性增强性能的影响，重点关注破坏模式、粘结应力-滑移曲线和粘结强度。结果表明，尽管破坏模式随FRP类型和布置方向的变化较小，但三种FRP筋粘结界面的损伤形态和形成机制存在显著差异。其中，碳纤维FRP筋与3DP-SHCC的粘结性能最佳，其X方向和Y方向的粘结强度分别为16.70 MPa和15.71 MPa，仅比钢筋低约10%。相比之下，玻璃纤维FRP筋的粘结强度在测量布置方向范围内仅为玄武岩FRP筋的24.01–26.00%。基于厚壁圆柱模型，提出了一种新的粘结-滑移本构模型来预测FRP筋在3DP-SHCC中的粘结行为，该模型的预测结果与实验结果吻合良好。
引言
随着建筑行业对高性能材料需求的增加，3D打印应变硬化水泥基复合材料（3DP-SHCC）因其多缝开裂特性[1]、[2]、[3]和应变硬化性能[4]、[5]、[6]而脱颖而出。聚合物纤维在SHCC中的桥接效应显著提高了材料的韧性，而这项技术与3D打印的结合使得复杂构件的高效制造成为可能[7]、[8]、[9]。然而，该技术仍存在一些缺点，包括由于打印引起的分层导致的SHCC层间界面强度较弱，以及不均匀的水分迁移[3]、[10]和纤维取向不均[11]进一步影响了层间粘附[12]。尽管由于短纤维的桥接效应，SHCC具有优异的拉伸延展性和应变硬化性能，但仅靠短纤维无法承受大跨度结构构件的宏观荷载，因此需要连续增强来提供必要的抗弯刚度和极限承载能力[13]。因此，引入纤维增强聚合物（FRP）增强材料为提高3DP-SHCC的结构完整性提供了新的解决方案，预计这种增强方式可通过与SHCC基体的协同作用改善层间应力性能[14]、[15]。
FRP筋具有重量轻、强度高和优异的耐腐蚀性[16]、[17]、[18]等特点，当与3D混凝土打印技术结合使用时，可以高效集成到复杂的混凝土结构中，在高腐蚀性环境下的海洋工程和建筑领域展现出巨大潜力[19]、[20]、[21]。然而，这种技术集成在结构界面性能方面存在不足，因为喷嘴挤出可能导致混凝土打印过程中FRP筋周围骨料分布不均[22]，形成局部机械性能减弱区域并加剧粘结应力集中[23]、[24]。同时，3D打印的固有分层特性显著改变了界面过渡区的微观结构[25]。研究表明，界面孔隙率增加和水化产物的分散会导致混凝土-钢筋粘结和锚固性能的局部变化[26]。通过自制模板试验发现，水膜参与水化过程会在界面形成主要由硅酸钙水合物凝胶和六方氢氧化钙晶体组成的空隙或间隙，从而导致粘结力弱化和材料分布不均[27]。关于界面粘结-滑移行为，Rossetti等人[28]验证了局部粘结应力-滑移定律在模拟玻璃纤维FRP筋与混凝土粘结行为中的适用性，而Davalos等人[29]使用带有系数修正的非线性弹簧单元模拟了嵌入混凝土中的FRP筋的界面剪切应力-滑移关系。然而，关于FRP筋与3D打印混凝土界面之间的开裂机制的研究仍然较少，因此表征材料属性和打印过程中的耦合效应仍具有挑战性。
值得注意的是，3DP-SHCC与FRP筋的协同应用与传统混凝土浇筑相比具有独特的技术特点。浇筑过程确保了材料的均匀性，基体中随机分布的纤维为FRP筋创造了稳定的粘结环境。此外，SHCC的固有应变硬化性能有助于缓解界面应力集中，降低了FRP筋的拔出风险[30]、[31]、[32]。然而，在实际工程应用中仍有一些技术方面需要改进。先前的研究表明，常见的FRP筋表面处理方法（如喷砂或开槽）以及SHCC基体的适用性仍需进一步研究。这是因为实现界面化学键合和机械互锁的完全协同作用较为困难，而且SHCC在固化过程中的收缩和变形可能会在界面引发微裂纹，从而影响长期粘附[33]、[34]、[35]。目前的研究主要集中在静态加载下的力学性能分析上。例如，Giuseppe等人[36]采用非接触技术表征了FRP复合材料在静态和疲劳条件下的II型分层行为，而Zhang等人[37]通过弯曲试验表明，加入SHCC后FRP增强梁的承载能力和延展性分别提高了38.3%和42.8%。然而，在3D打印背景下，粘结行为仍不够清楚[38]。这种行为是控制复合材料性能的基本机制，但分层制造过程引入了各向异性和独特的界面缺陷[15]。这些条件与传统模铸结构有根本不同。此外，目前仍缺乏一个准确的理论模型来量化FRP筋与3DP-SHCC之间的粘结性能。
因此，本文对3D打印SHCC和FRP筋进行了一系列拔出试验，以获得在不同工作条件下的界面粘结性能。具体而言，研究了三种典型类型的FRP筋（碳纤维FRP（CFRP）、玄武岩FRP（BFRP）和玻璃纤维FRP（GFRP）在特定筋直径和锚固长度下的粘结性能，并考虑了平行于和垂直于打印方向的增强方向。基于经典的局部粘结应力-滑移关系[39]，开发了一种改进的粘结本构模型来表征FRP筋与3DP-SHCC的粘结行为，为准确预测粘结性能和指导工程设计提供了理论基础。
FRP筋的性能
FRP筋的螺纹表面是通过在线缠绕和成型技术实现的。在挤压过程中，通过同时缠绕纤维束或树脂纱线，在FRP筋表面形成连续的螺旋肋结构。由于玄武岩纤维、碳纤维和玻璃纤维的含量不同，制造过程也有所不同。图1展示了三种FRP筋的形态。一般来说，CFRP和BFRP筋
破坏模式
所有FRP筋试样的破坏模式均表现为拔出破坏，如图8所示，所有试样组均表现出一致的破坏模式，其特征是FRP肋与SHCC基体之间的剪切以及光滑的滑动界面。无论打印方向或增强类型如何，均未观察到宏观裂纹破坏[46]。这不仅归因于3DP-SHCC出色的抗层间开裂性能，还
结论
本文研究了三种FRP筋与3D打印SHCC之间的拔出行为，评估了FRP筋类型和布置方向的影响。将粘结性能与钢筋试样进行了对比分析，得出以下结论：
•CFRP增强材料的抗拉强度和弹性模量显著优于其他两种FRP筋，三种FRP筋的拉伸应力-应变曲线与钢筋有根本性差异
作者贡献声明
张彤：撰写——初稿、可视化、资金获取、正式分析。魏金辉：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、正式分析。陈萌：撰写——审稿与编辑、监督、研究、资金获取。于康豪：可视化、验证、研究、数据整理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52308395）、中央高校基本科研业务费（N25YJS003、N25ZJL014）以及辽宁省自然科学基金（2024-MSBA-28）的财政支持。
