关于3D打印再生混凝土流变性能调控的研究及打印机参数的多目标优化

《Powder Technology》：Research on the regulation of rheological properties of 3D printed recycled concrete and multi-objective optimization of printer parameters

3D打印再生骨料混凝土（3DPRAC）流变特性与参数优化研究。通过流体性测试揭示再生细骨料掺量（40%）及静置时间对材料流变性能的调控机制，结合响应面法优化挤出速度（0.77 r/s）、水平打印速度（40.8 mm/s）及垂直移动速度（10.3 mm/s）等关键参数，确定160-180 mm流体性范围为结构稳定关键阈值，实现205 mm打印高度及最佳力学性能协同优化，为再生混凝土工程化应用提供理论支撑与技术路径。

　　

郑远勋|李亚特|席新月|孙正汉|郭冠琴|赵旭鑫|曹倩倩

郑州大学水利与交通学院，中国郑州450001

摘要

3D打印再生骨料混凝土（3DPRAC）技术通过推动建筑行业的智能化转型和促进可持续发展，带来了双重效益，因此受到了广泛的研究关注。本研究首先通过流动性测试，研究了静置时间和再生细骨料（RFA）替代率对3DPRAC流动性影响，并探讨了其流变特性的调控机制。建立了流动性与可施工性和力学性能之间的关联，并通过微观结构分析进一步阐明了其背后的机制。随后，采用响应面方法（RSM）系统地研究了关键打印参数（包括挤出速度、水平打印速度和垂直移动速度）对材料性能的影响。通过多目标优化，确定了最佳的参数组合。结果表明，将流动性控制在160–180毫米范围内可以确保稳定的成型而不会发生坍塌，可施工高度可达205毫米。在优化参数下（即挤出速度0.77 r/s、水平打印速度40.8 mm/s和垂直移动速度10.3 mm/s），材料表现出优异的打印质量和结构稳定性，同时可施工性和力学性能均达到最佳状态。本研究为3DPRAC的工程应用提供了理论基础和技术支持。

引言

全球每年的建筑和拆除废弃物超过100亿吨，其中混凝土废弃物占很大比例，因此这些废弃物的回收和资源再利用已成为行业可持续发展的关键问题。传统的处理方法面临效率低和环境影响大的挑战，使得废弃混凝土的高效回收和增值成为当前的研究热点[1]。在这种背景下，3D打印混凝土（3DPC）技术为建筑行业的绿色转型和智能化升级提供了新的途径，它利用了数字化、无需模板施工和高效率等优点[2]、[3]。将再生骨料（RA）纳入3DPC系统不仅促进了建筑废弃物的资源循环，还降低了材料成本，从而实现了环境和经济效益的协同[4]、[5]。

然而，再生骨料的特性（如表面附着的老砂浆、不规则的颗粒形状和高吸水性）严重影响了3DPRAC的易加工性，特别是其流动性和泵送性，给实际应用带来了显著挑战[6]。材料在挤出过程中必须保持足够的流动性，同时在沉积后迅速发展出足够的强度以支撑后续打印层[7]、[8]、[9]。这要求对混合比例和打印工艺参数进行更加严格的协调优化。目前，关于传统3DPC的流变和力学性能的研究已经建立了基础性理解。Roussel等人[7]指出，3DPC的流变性能必须在可挤出性和可施工性之间取得平衡。Zhang等人[10]通过将台式测试结果与挤出流动行为相关联，开发了3DPC的流动性评估框架。Panda等人[11]提出通过连续打印测试来确定坍塌高度来量化材料的可施工性。Wolfs等人[12]实验发现，3DPC的压缩强度和抗弯强度在平行于和垂直于打印方向的方向上有所不同，层间界面被认为是力学性能中的薄弱环节[12]、[13]。然而，针对再生系统的系统研究仍然不足。Kazemian等人[9]研究了3DPC的流变性能与打印质量之间的关系，确定剪切应力是影响可打印性的关键参数。Panda等人[14]使用电台测试建立了3DPRAC的易加工性和可施工性之间的关联模型，尽管他们的研究主要集中在传统胶凝材料上。关于再生系统的研究，特别是在流变性能的调控、工艺参数的优化以及微观机制的阐明方面，还需要进一步深入探索。

基于上述背景，本研究旨在系统地研究3DPRAC的流变特性调控及其与易加工性的关联，并利用响应面方法优化打印工艺参数，从而为3DPRAC的工程应用提供理论指导和技术支持。本研究的主要创新包括：（1）研究静置时间和RFA替代率对3DPRAC流动性的影响及其流变特性的调控机制；（2）阐明流动性与可施工性和力学性能之间的关系，并通过微观结构分析阐明宏观易加工性的调控机制；（3）确定确保稳定成型的3DPRAC的混合比例和流动性范围；（4）利用响应面方法系统优化3D打印机参数，以获得最佳参数组合。

部分内容摘录

原材料

本研究选择了符合中国国家标准GB 175–2007《通用硅酸盐水泥》规定的所有化学成分和物理性能要求的P·O 42.5型波特兰水泥[15]作为胶凝材料。使用的天然细骨料（NFA）为河沙，细度模数为2.3–2.6，表观密度为2650 kg/m3，符合GB/T 14684《建筑用砂》的要求[16]。RFA来源于废弃混凝土

流动性分析

在3DPRAC的制备和性能调控中，混合后的静置时间是一个关键工艺参数，它影响材料的流动特性。静置时间是指混合后骨料混合物未被扰动的时期。图9.（a）展示了3DPRAC在流动台测试中的结果。流动台测试中的扩散直径代表流动性；扩散直径越大，流动性越强，反之亦然。对于含有40% RFA替代率的混合物

打印机参数的分析与优化

3D打印机参数也是调控3DPRAC流变特性的关键因素，它们的变化显著影响材料的流变行为。通过对多种混合比例的比较测试，确定40% RFA替代率的配方为最佳方案，本研究通过系统调整3D打印机参数来研究3DPRAC的最佳工作性能窗口。

结论

本研究系统地研究了3DPRAC的流变特性调控和打印机参数优化。通过多尺度实验和多目标优化方法，阐明了在加入RFA后的性能演变模式和关键调控途径。主要结论如下：

• (1)
  阐明了RFA替代率影响3DPRAC流变性能的机制。流动性和

局限性与展望

尽管本研究通过实验和微观结构表征系统研究了RFA对3DPRAC流变性能的影响，揭示了打印参数对3DPRAC可打印性的协同效应，并得出了工艺优化的指导性结论，但仍存在一些局限性，需要在未来的工作中进一步探讨。首先，本研究中对流变行为的讨论主要基于流动性这一间接指标

CRediT作者贡献声明

郑远勋：撰写——初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验设计、资金获取、数据分析、概念构思。李亚特：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。席新月：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作