3D打印内部养护超高性能混凝土的可打印性、机械性和收缩性能

论文：Printability, mechanical, and shrinkage properties of 3D printing internally-cured ultra-high performance concrete，点击文末链接可直接阅读

3D打印内部养护超高性能混凝土的可打印性、机械性和收缩性能

3D打印混凝土（3DCP）技术正以其在复杂结构、快速建造和无模化施工方面的优势，引领建筑行业变革。然而，一个核心痛点严重制约了其向承重结构，特别是高层、大跨度结构的发展：高收缩开裂风险。由于打印材料通常水泥含量高、水胶比低，自收缩和干燥收缩巨大，极易在打印结构内部和层间界面产生裂缝，严重影响结构耐久性和安全性。

针对这一挑战，一项发表于《Cement and Concrete Composites》的创新研究提出了一种革命性的“内部养生”方案，成功开发出可打印、低收缩、高抗裂的3D打印超高性能混凝土。其核心秘诀在于引入了一种名为煅烧铝矾土的多孔骨料。

1. 创新核心：用“蓄水海绵”为混凝土“内部养生”

研究团队没有采用传统的减缩剂或膨胀剂，而是引入了多孔煅烧铝矾土骨料作为一种智能内部固化剂。

原理：这种骨料如同无数个“微型水库”，在搅拌时预先吸收并储存一部分拌合水。随着混凝土水化进行，内部湿度下降，骨料中储存的水分会缓慢释放出来，持续“滋养”周围的水泥浆体。

效果：这一过程显著补偿了混凝土因自干燥和水分蒸发引起的收缩，从根源上抑制了收缩应力的产生，从而大幅降低开裂风险。同时，其释放的水分还能促进后期水化，提升强度。

2. 性能飞跃：强度提升与收缩锐减的“双赢”

研究系统比较了含CB骨料与普通骨料的3DP-UHPC，以及不同钢纤维掺量（1% 和 1.5%）下的性能，结果令人振奋：

收缩控制能力惊人、力学性能全面提升。纤维定向增强效应：X-CT扫描显示，3D打印过程能有效使钢纤维沿打印方向定向排列。这种“自增强”效应使得在垂直打印方向（Z向）加载时，打印试样的抗弯强度甚至超过了同配比振捣成型的试件。

3. 协同作用：CB骨料 + 钢纤维 = 极致抗裂

研究发现，CB骨料和钢纤维在抗裂中扮演着不同但互补的角色：

CB骨料：是收缩的“削减者”，通过内部养生机制从根本上减少导致开裂的驱动力——收缩应变。

钢纤维：是裂缝的“终结者”，虽然对减少收缩应变本身作用甚微，但能强力桥接已出现的微裂缝，阻止其扩展，显著提升材料的断裂韧性和裂后承载力。

因此，“CB骨料减少收缩 + 钢纤维控制裂缝”的组合，实现了1+1>2的抗裂效果，为3D打印结构提供了双保险。

4. 可打印性优化：为3D打印“量身定制”

为使UHPC适应3D打印工艺，研究还对材料进行了“微调”：

速凝调节：用5%的硫铝酸盐水泥替代部分波特兰水泥，将终凝时间从14小时缩短至6小时，保证了打印层在堆积过程中的形状稳定性。

流变调控：加入0.05-0.1%的羟丙基甲基纤维素，获得了适于挤出和堆积的流动度与稠度，确保了打印丝条的连续性和层间粘结。

5. 结论与前景

这项研究成功地开发了一种兼具优异可打印性、超高力学性能和极低收缩开裂风险的3D打印UHPC新材料。煅烧铝矾土骨料作为内部养生剂的应用是关键突破，它不仅在材料尺度上解决了3DCP的收缩开裂痼疾，还意外地提升了力学性能。

这项成果为3D打印技术应用于高层建筑、大跨桥梁、特种结构等对材料性能要求极高的领域扫清了关键障碍，标志着3D打印混凝土从“塑造形状”迈向“承重担当”的实质性一步。未来，结合智能设计和机器人施工，这种“内部养生”的智能混凝土将有望打印出更复杂、更耐久、更绿色的建筑奇迹。