《Journal of Building Engineering》：Tailoring Ultra-High Performance Concrete for Additive Manufacturing: Synergistic Roles of Superplasticizer and Viscosity-Modifying Admixture in Printability and Performance
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超高性能混凝土（UHPC）的3D打印性能优化研究通过系统分析不同掺量的超塑化剂（1.93%、2.17%、2.41%）和增稠剂（2.5%、3%、3.5%）对流动性、打印性及硬化后力学性能的协同作用，发现低超塑化剂与中高增稠剂的组合（M2、M6）在挤出性和打印性上表现最佳，但过高的超塑化剂和增稠剂会降低抗压强度（降低26%）和电阻率（降低29.8%），并产生各向异性强度和电导率。研究强调需基于性能优化的混合设计方法平衡外加剂配比，以协同改善新拌行为、打印性、水化动力学及硬化后机械与耐久性能，为UHPC增材制造提供理论指导。
Souvik Das | Jonathan Lee | Jianqiang Wei
马萨诸塞大学洛厄尔分校弗朗西斯工程学院土木与环境工程系，美国马萨诸塞州洛厄尔，邮编01854
摘要
为增材制造定制可打印的超高性能混凝土（UHPC）需要在新鲜状态的可打印性与打印后的机械性能和耐久性之间取得严格的平衡。本研究通过一个三级实验框架，系统地研究了超塑化剂（剂量分别为1.93%、2.17%和2.41%）和粘度改性外加剂（VMA）（剂量分别为2.5%、3%和3.5%）对UHPC可打印性与性能之间相互作用的影响，涵盖了新鲜状态特性、可打印性和打印后性能。结果表明，虽然增加超塑化剂的剂量可以提高UHPC的流动性和可挤出性，但会降低保水率和形状稳定性；而VMA则在保持保水率和可施工性的同时，对流动性产生了负面影响。超塑化剂诱导的润滑作用与VMA诱导的粘聚性之间的协同作用，在两组材料（M2：低剂量超塑化剂和中等剂量VMA；M6：中等剂量超塑化剂和高剂量VMA）中实现了最佳的挤出性和可打印性。然而，M2和M6材料的优异界面粘结性、强度和抗渗透性表明，超塑化剂剂量从1.93%增加到2.17%，VMA剂量从3.0%增加到3.5%后，打印出的UHPC的抗压强度降低了26.0%，体积电阻率降低了29.8%。在强度和电阻率观察到的方向依赖性进一步证实了3D打印UHPC的各向异性，这是由于逐层沉积和层间界面造成的。总体研究结果强调了基于性能的混合设计方法的必要性，该方法需要平衡超塑化剂和VMA的用量，以最大化它们在优化新鲜状态行为、可打印性、水化动力学以及打印后机械性能和耐久性方面的协同效应。
引言
3D混凝土打印是一种新兴的建造技术，其中水泥基材料通过打印机的喷嘴逐层挤出，从而实现增材制造[1]。这项技术在当前建筑行业中受到了广泛关注[2, 3]。其独特的无模板特性减少了建筑产生的废弃物[4]和整体施工时间[5]，同时实现了高几何灵活性和材料效率的提高[6]。然而，由于传统混凝土混合物不适合打印，3D混凝土打印在现实建筑项目中的应用目前仍受到限制[7]。理想的3D打印水泥基材料需要具备足够的流动性，以便顺畅地泵送和挤出，并在沉积后立即快速硬化，以支撑后续层并防止结构坍塌[8, 9]。将这两种相互矛盾的特性整合到一种材料中，需要精确的混合设计，使其能够在规定的开放时间内进行打印和施工[2, 10]，同时需要适当调整特定的新鲜状态特性，包括流动性、可挤出性、形状保持性和可施工性。此外，诸如层间粘结[11]、早期稳定性、机械性能[12]和长期耐久性等额外因素，进一步凸显了对可打印水泥基材料行为的全面理解的必要性。
鉴于传统混凝土的局限性，最近的研究探索了各种先进的水泥基系统，包括纤维增强工程水泥基复合材料（ECC）[13]、环保型超高延性水泥基复合材料（UHDC）[14]、用于增材制造的超高性能混凝土（UHPC）[16]。在更广泛的背景下，UHPC为提高可打印性和结构性能提供了有吸引力的途径，因为它可以在新鲜状态下实现高流动性，并在硬化后具有优异的机械性能。UHPC的高性能通常是通过使用含有大量辅助水泥基材料的水泥基粘结剂、消除粗骨料、引入离散纤维、优化原材料的粒径分布以最大化颗粒堆积密度、减少混合用水量以及使用减水外加剂来实现的[17, 18]。其较低的用水量与粘结剂比例（w/b）、组分的细度以及强的粘聚性，使得UHPC特别适合实现逐层制造所需的挤出性和形状保持性的微妙平衡。然而，尽管UHPC具有优异的性能，但其新鲜状态行为和适应挤出打印所需的配方策略仍不够明确。Khayat等人[19]指出，初始屈服应力较低的UHPC混合物应进行适当调整，以确保易于控制泵送性、挤出性和第一阶段浇筑；但它们的低w/b比例可能导致高屈服应力和高粘度，因此需要超塑化剂来优化流动特性。挤出后，材料应立即转变为坚硬且几乎不变形的纤维[19]。在这方面，粘度改性外加剂（VMA）用于改善可打印混合物的粘度和触变性能[20, 21, 22]。然而，需要注意的是，引入VMA可能会引入额外的空气，从而影响水泥基混合物的机械强度[23]。尽管人们对使用超塑化剂和VMA的兴趣日益增加，但它们在控制UHPC新鲜状态性能和可打印性方面的协同作用仍不明确。因此，需要全面理解UHPC混合物设计、流变性能和可打印性之间的关系，以便为未来的应用设计出合适的UHPC配方。
本研究旨在通过系统地探索九组不同超塑化剂和VMA剂量组合的UHPC混合物，来解决与基于挤出的3D打印UHPC配方相关的知识空白，重点阐明它们对UHPC流动性、形状稳定性、保水能力、可挤出性和可施工性演变的影响。为了消除纤维对材料性能和可打印性的影响，本研究中研究的UHPC混合物为不含纤维的纯混合物。预计这些UHPC混合物的研究结果将为未来含纤维UHPC的增材制造研究提供基础见解。特别是，本研究的结果可以直接应用于未来的增材制造策略，即在打印过程中引入纤维，而不是预先将其混合到材料中。为了深入了解打印组件的结构性能及其对打印路径的依赖性，测试了3D打印UHPC在不同加载方向下的压缩强度和弯曲强度等打印后性能。此外，还评估了打印层之间的界面粘结性和打印UHPC的渗透性，并与模压试样的性能进行了比较，以全面了解3D打印对UHPC物理和耐久性相关性能的影响。这些发现有望加深对UHPC行为的理解，并为设计适用于下一代基础设施3D打印技术的可打印UHPC混合物提供实际指导。
材料
本研究使用符合ASTM C150标准的I/II型波特兰水泥[24]、符合ASTM C618标准的硅灰和F级粉煤灰[25]作为水泥基材料。使用最大粒径为1毫米、吸水率为2.24%的砌筑砂，在饱和表面干燥（SSD）条件下进行实验，以确保有效用水量与粘结剂比例（w/b）的精确控制。水泥基材料的化学和矿物组成见表1。
流动性
作为这项研究的第一步，选择流动性作为评估设计UHPC混合物新鲜状态行为的主要筛选标准，以缩小后续可打印性和可施工性评估的候选范围。通过系统地研究时间依赖的流动演变，这种方法能够在保持混合物具有足够流变稳定性的同时，有效减少实验所需的材料数量，从而适用于基于挤出的3D打印。
结论
本研究通过整合新鲜状态表征、可打印性评估和打印后性能评估，系统地研究了基于挤出的UHPC 3D打印过程，特别关注超塑化剂和VMA在控制打印行为和硬化状态性能中的作用。基于实验结果和全面讨论，可以得出以下结论：
增加超塑化剂的剂量可以提高流动性，但会降低……
CRediT作者贡献声明
Jianqiang Wei：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢马萨诸塞州交通部（MassDOT）研究计划的支持，该计划得到了联邦公路管理局（FHWA）和美国州规划与研究（SPR）基金（ISA: INTF00X02024A0122821）的资助。作者还要感谢马萨诸塞大学洛厄尔分校的Arkabrata Sinha博士和Dayou Luo博士在实验过程中提供的帮助。
