夜雨聆风协同优化3D打印泡沫混凝土
高吸水性树脂与硅灰协同调控水分布，实现静态屈服应力提升超70%及可打印层数翻倍！
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英文题目：Synergistic optimization of buildability and microstructure in 3D-printed foam concrete enabled by superabsorbent polymer and silica fume
中文题目：高吸水性聚合物和硅灰协同优化3D打印泡沫混凝土的可施工性和微观结构
关键词：泡沫混凝土；高吸水性聚合物；硅灰；静态屈服应力；可建造性；微观结构
出版年份：2026年
来源：Cement and Concrete Composites(中科院一区TOP, IF=13.1)
第一作者：Chao Liu
通讯作者：Dongshuai Hou
单位：School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, 266520, China
导言
在全球老龄化加剧和劳动力短缺的结构性挑战下，以3D打印混凝土为代表的智能建造技术，因其无需模板、自动化程度高及设计自由度大，正成为建筑业转型的核心引擎 。然而，常规密度的3D打印混凝土往往水泥用量高，不仅违背了低碳理念，其庞大的预制构件在吊装时也存在安全隐患 。泡沫混凝土作为一种轻质多孔材料，具备轻质、保温、隔热和易于挤出等显著优势，在3D打印轻质混凝土领域展现出巨大潜力 。但在实际应用中，由于其在逐层堆叠过程中的保形能力较弱，极大地限制了其工程推广 。因此，如何在不牺牲轻质特性的前提下，开发出兼具优异可建造性（Buildability）和良好微观结构的高性能3D打印泡沫混凝土材料，是当前该领域亟待突破的关键瓶颈。
核心痛点
3D打印泡沫混凝土可建造性差的核心痛点主要源于两个方面：首先，其内部夹带的大量气泡在浆体中起到了类似“滚珠轴承”的润滑作用；其次，泡沫的引入会带入大量水分，当气泡在搅拌过程中破裂时，液膜会将水分释放到浆体中，导致实际水胶比急剧上升，从而大幅降低材料的静态屈服应力 。现阶段，研究人员常通过添加硅灰（SF）来提高泡沫混凝土的静态屈服应力，但过量添加不仅会导致材料难以挤出，还会引起严重的消泡现象，并增加混凝土的干密度 。此外，泡沫混凝土作为多孔材料，流变改性材料的加入往往会显著改变其内部的基体孔隙、气泡特征以及层间界面的微观结构，进而对其硬化后的力学性能和耐久性产生深远影响 。如何有效控制气泡周围浆体中的自由水，在提升流变性能的同时兼顾微观孔隙结构的优化，是该领域面临的核心科学难题。
研究领域
3D打印轻质混凝土
流变学与可建造性调控
高吸水性树脂（SAP）与纳米材料（SF）改性机制
低场核磁共振（LF-NMR）实时水化与水分布监测
X射线计算机断层扫描（X-CT）微观孔隙网络表征
研究背景
为了改善3D打印泡沫混凝土的可建造性，以往的研究多集中在骨料替代或单一流变剂的使用上。例如，有学者尝试用膨胀珍珠岩或粉煤灰替代细砂以降低所需泡沫量，但其可连续打印的层数依然十分有限 。硅灰（SF）已被证实能显著提升静态屈服应力，而高吸水性树脂（SAP）作为一种具有极强吸水和释水能力的聚合物，常被用于调节常规3D打印混凝土的流变性能并减少早期收缩 。然而，在泡沫混凝土这一特殊的多孔体系中，非预吸水状态的干态SAP与SF协同作用对流变性能和可建造性的影响机制尚不明确 。此外，SAP的内养护作用和SF的物理填充效应对3D打印泡沫混凝土（特别是层间界面与基体孔隙）的微观结构演化规律，仍缺乏系统且定量的深入研究 。
研究创新点
本研究的创新之处在于，首次提出在不额外补充水分的前提下，将干态高吸水性树脂（SAP）与硅灰（SF）复合引入3D打印泡沫混凝土中，利用二者的协同作用实现可建造性与微观结构的同步优化 。研究引入了低场核磁共振（LF-NMR）技术，原位无损地揭示了新鲜浆体中SAP与SF对自由水的“竞争吸收”机制，并首次发现3D打印泡沫混凝土随时间变化的静态屈服应力与其基体内部的T21水含量存在强函数相关性 。在微观结构调控方面，研究证实了SAP与SF的协同作用不仅能有效降低基体孔隙率，还能通过平衡静态屈服应力的提升与SAP的内养护作用，最小化打印层与层间界面区域的孔隙率差异 。此外，研究还通过孔隙网络模型（PNM）定量证实了高掺量的SAP和SF能够显著降低气泡间的配位数和喉道半径，从三维连通性角度为微观结构的致密化提供了全新见解 。
研究内容
研究团队以水泥和细河砂为基础材料，设计了包含不同干态SAP掺量（0%、0.3%、0.6%、0.9%）和不同SF替代率（6%、10%）的泡沫混凝土配合比 。在新鲜浆体测试阶段，使用旋转流变仪连续测试了120分钟内的静态屈服应力演化规律 ，并同步利用低场核磁共振（LF-NMR）连续监测体系内T21（基体水）和T22（絮凝水及SAP吸附水）的峰面积变化，以阐明水分迁移机制 。在可建造性评估中，通过龙门式3D打印机执行连续堆叠的单回路圆环路径，直观记录材料在达到结构失稳坍塌前的最大可打印层数 。在硬化性能分析方面，测试了试件在X、Y、Z三个方向的28天抗压强度及比强度 ；最后，结合X射线计算机断层扫描（X-CT）和背散射电子成像（SEM-BSE）技术，对层间界面孔隙率、基体孔径分布、气泡尺寸及三维空间连通性（配位数与喉道半径）进行了深度的定量解析 。
SAP在去离子水和水泥砂浆中的吸附曲线
3D打印泡沫混凝土的( a )可建造性和( b )力学性能和微量采样的打印程序示意图
3D打印泡沫混凝土的X射线CT分析工艺流程图
表征孔隙连通性的简化孔隙网络模型示意图( a )和效果图( b )
基于后向散射技术分析界面区和非界面区基质孔隙的流程图
3D打印泡沫混凝土三个方向的抗压强度试验示意图
不同SAP和SF掺量对不同组别泡沫混凝土时变静态屈服应力的影响：( a ) SF掺量为6 %时；( b )当SF含量为10 %时
水在不同组泡沫混凝土中的初始信号强度分布：a ) SF掺量为6 %时；B )在SF含量为10 %时
不同组别泡沫混凝土T22峰值面积随时间的变化趋势：a ) SF掺量为6 %时；B )在SF含量为10 %时
不同SAP和SF含量的3D打印泡沫混凝土中T22水竞争的热图
不同SAP和SF用量对T22水的竞争影响机制示意图为：( a-1 ) SAP-0 %，SF-6 %；( A-2 ) Sap-0 %，Sf-10 %；( B-1 ) Sap-0.3 %或0.6 %，Sf-6 %；( B-2 ) Sap-0.3 %或0.6 %，Sf-10 %；( C-1 ) Sap-0.9 %，Sf-6 %；( C-2 ) Sap-0.9 %，Sf-10 %
不同组别泡沫混凝土的总面积T2峰值随时间的变化趋势：a ) SF掺量为6 %时；B )在SF含量为10 %时
不同组别泡沫混凝土的T21峰面积随时间的变化趋势：a ) SF掺量为6 %时；B )在SF含量为10 %时
水泥替代SF的静态屈服应力变化率与T21水分变化率的关系分别为( a ) 6 %和( b ) 10 %
不同组别3D打印泡沫混凝土的可建造性
3D打印泡沫混凝土不同组别的最大打印层数
3D打印泡沫混凝土最大打印层数、静态屈服应力与湿密度的关系
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时3D打印泡沫混凝土的干密度
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时，3D打印泡沫混凝土的28 d抗压强度
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时3D打印泡沫混凝土的比强度
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时，3D打印泡沫混凝土层间界面区域的孔隙率分布
3D打印泡沫混凝土打印层及夹层区域不同直径范围内孔隙的频率分布及累积孔隙率：( a ) S0SF6组；( b ) S03Sf6组；( c ) S06Sf6组；( D )组S09Sf6；( E )组S0Sf10；( f )组S03Sf10；( G )组S06Sf10；( H )组S09Sf10
通过X - CT得到3D打印泡沫混凝土中大于50 μ m的孔径分布：( a ) S0SF6组；( b ) S03Sf6组；( c ) S06Sf6组；( D )组S09Sf6；( E )组S0Sf10；( f )组S03Sf10；( G )组S06Sf10；( H )组S09Sf10
3D打印泡沫混凝土不同组别空隙连通性的PNM模型图：( a ) S0SF6组；( b ) S03Sf6组；( c ) S06Sf6组；( D )组S09Sf6；( E )组S0Sf10；( f )组S03Sf10；( G )组S06Sf10；( H )组S09Sf10
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时，3D打印泡沫混凝土中不同直径的空隙配位数分布散点图
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时，3D打印泡沫混凝土中连通空隙的喉部半径分布
SF掺量为( a ) 6 %和( b ) 10 %时，3D打印泡沫混凝土连通空隙的喉道长度
研究结论
在本研究中，在不额外添加水的情况下，使用不同掺量的SAP和两种SF取代率来协同增强3D打印泡沫混凝土的可建造性和微观结构。系统研究了SAP和SF影响静态屈服应力的时变演化机制，以及它们对3D打印泡沫混凝土的孔径分布、打印层内和层间界面的基体孔隙率以及空隙连通性等微观参数的影响。主要结论如下。
( 1 )当SF取代率为6 %和10 %时，0.9 % SAP的加入使新拌3D打印泡沫混凝土的静态屈服应力分别提高了81.1 %和71.5 %。当SF取代率为6 %时，静态屈服应力随时间的演化规律随SAP含量的增加呈现不规则变化。相比之下，在10 %的SF替代比例下，随时间变化的速率表现出持续减速的趋势。
( 2 )SAP掺量对T22水随时间变化的影响取决于其对初始状态自由水的吸收和水化过程中水的释放之间的平衡。增加SF含量显著地与SAP竞争吸附新鲜混合物中的自由水，从而显著地降低了SAP吸收T22水的时间依赖性趋势。因此，泡沫混凝土静态屈服应力的变化与基体中T21水含量随时间的变化直接相关，而SF取代率显著改变了两者相关性的函数形式。
( 3 )SAP和SF的协同作用使3D打印泡沫混凝土的可打印层数提高到原来的2倍以上。可建造性与静态屈服应力和湿密度均呈双线性关系。集成的SAP - SF体系导致3D打印泡沫混凝土的密度略有增加，同时显著增强其比强度，特别是在X方向。
( 4 )SF和SAP的掺入可以增加打印层和层间界面区基体中小孔的比例，同时降低孔隙率。此外，适当的SAP用量( 0 . 3 %和0 )可以减小打印层与层间界面区累积孔隙率的差异。对于空隙，SF和SAP的加入增加了小空隙的比例，减少了空隙间的连通通道，并显著细化了喉道半径，从而降低了整体的连通性。
END
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