综述：3D打印超高性能混凝土的混合设计优化与可持续性考量

《Applied Materials Today》：Mix design optimization and sustainability considerations for 3D?printed ultra?high?performance concrete

　　•3D打印的超高性能混凝土（UHPC）被视为一个材料-工艺-性能耦合系统。•狭小的可打印窗口涉及颗粒堆积、水灰比、外加剂和纤维的协同作用。•静态屈服应力范围为170–5300帕；需要标准化的流变学报告。•挤出过程使纤维对齐，拉伸强度提高了40–70%，但会导致各向异性。

引言
最近，由于3D混凝土打印（3DCP）在提高生产力和节省成本方面的优势，以及能够更好地定制设计并减少材料浪费，其使用显著增加[1]、[2]。此外，它还大大缩短了施工时间[3]，减少了模板的需求[4]，并提高了施工质量、建筑多样性和可持续性[5]。3DCP技术，也称为使用混凝土的数字制造（DFC），为非常规和复杂形状提供了更好的设计灵活性，并提供了提升性能和材料效率的解决方案。然而，目前还缺乏一个连贯的结构工程框架来优化所需的设计[6]。在过去的十年中，3DCP技术取得显著进展[7]、[8]、[9]，已在桥梁、房屋和修复工作中得到广泛应用，如图1所示。

在典型的基于挤出的3DCP过程中，计算机辅助设计模型被分割成层并转换为机器可读的工具路径。然后混合水泥混合物，通过泵送、挤出喷嘴，并以连续的丝状沉积，而无需传统模板或振动。因此，3DCP不应仅仅被视为另一种放置方法。它应该被视为一个材料-工艺-设备耦合的模型，在该模型中，混合物的设计、流变响应、设备和打印机的设置、喷嘴的几何形状、每一层的速度和高度以及周围环境都相互作用，以控制打印部件的质量和材料固化后的特性[10]、[11]、[12]。

尽管有这些优势，基于挤出的3DCP仍然面临许多传统 casting 中未遇到的技术挑战。材料在混合、泵送和挤出过程中必须具有足够的流动性，但沉积后必须迅速发展出刚性以保持形状并支撑后续层[13]、[14]。因此，可打印的水泥基材料必须在低粘度（便于泵送和挤出）与足够的应力和结构强度（便于构建和尺寸稳定性）之间取得平衡[11]、[15]。这种平衡变得更加复杂，因为增加流动性可能会 improve 泵送效果但降低形状保持能力，而增加触变性能或早期刚性可能会提高构建能力，但会增加堵塞的风险、挤出连续性差以及层间接触弱的问题。此外，逐层沉积过程会在丝状材料和层之间产生界面，这可能导致各向异性、层间缺陷、界面处的水分损失以及垂直于打印方向的拉伸或弯曲性能下降[16]。然而，使用机器人3DP设置[17]（如图2所示）可以在打印过程中实现精确的几何控制。3DCP的主要挑战是在保持高早期强度以确保形状保持的同时，确保混凝土的持续泵送和挤出，从而实现更好的耐久性[18]。但打印组件的性能仍然强烈依赖于材料流变学、沉积质量、层间粘结形成和固化条件[10]、[15]。

3DCP促进了一种环保的施工技术，可以减少模板浪费，实现材料的高效放置，并支持材料效率策略[19]、[20]。3DCP的环境效益并非自动实现。为了制造可3D打印的混合物，通常需要大量的粘合剂、细粉、外加剂以及对流动性的严格控制。因此，如果混合物设计不当，许多环境效益也可能丧失[20]。在废料3D打印混凝土中加入再生骨料和各种材料（如废粉煤灰、废玻璃、市政焚烧灰和钢渣）具有很大的潜力，可以提高循环利用并减少初级原材料的使用[21]。然而，这些可持续性策略必须与挤出性、构建性、开放时间、层间粘结和机械性能一起评估，因为基于废料的或低碳的混合物也可能降低流动性、延缓强度发展或增加变异性。

混凝土仍然是最广泛使用的建筑材料，因为它易于获得、成本相对较低、可塑性强且耐久性好[22]、[23]。然而，日益增长的可持续性需求和对高性能基础设施的需求加速了对先进水泥基复合材料的兴趣[24]、[25]。超高性能混凝土（UHPC）首次开发于1994年[26]，由于其优异的机械性能、耐久性和多功能性而最近受到了广泛关注[27]。它被广泛应用于桥梁、建筑物和结构修复等不同建筑领域[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。UHPC是一种高性能、高密度的混凝土和砂浆混合物，能够提高其机械和耐久性性能，并且允许使用填料进行应变监测而不影响性能[33]、[34]、[35]。UHPC是一种耐用的建筑材料，被认为适用于未来的基础设施，特别是在3DCP中，因为它具有出色的机械和耐久性能[36]。UHPC具有高流动性（压缩强度超过120 MPa）和拉伸强度超过5 MPa[37]。其卓越的性能归功于非常低的水灰比（0.15–0.25）、非常密集的基体以及大量的钢纤维（≥2%），同时使用了化学外加剂[38]。大量的纤维增加了拉伸强度和应变硬化，而致密的基体则提供了对化学和环境因素的保护[39]。然而，正是这些特性使得UHPC难以打印：低含水量、高粉末浓度、高粘度、对外加剂的敏感性和纤维-基体相互作用导致了一个需要在泵送、挤出、沉积和早期固化过程中仔细控制的狭小加工窗口。

UHPC的可持续性也是一个关键问题。虽然UHPC可以减小构件尺寸、延长使用寿命并减少维护需求，但其高水泥和硅灰含量、大量的化学外加剂以及纤维增强会使材料成本和隐含碳量增加[31]、[40]。因此，研究人员广泛研究了补充水泥基材料（SCMs），包括矿渣、粉煤灰、石灰石粉、冶金级氧化铝、硅灰和其他工业副产品，以在保持UHPC强度和耐久性要求的同时减少水泥消耗和环境影响[40]。对于3D打印的超高性能混凝土（3DP-UHPC），这一可持续性挑战更为严峻，因为SCMs和替代填料必须同时满足两个性能要求：它们必须在硬化后贡献于机械和耐久性性能，同时产生泵送性、挤出性、构建性、开放时间和层间粘结发展所需的新鲜状态流变性。

近期研究表明，可持续的高性能设计应在材料、使用寿命和结构系统层面进行评估。在可打印混凝土中，煤矸石粗骨料在10%的含量下将总孔隙率降低到1.8%，并在10–20%的含量下最大化了强度，尽管由于层间弱连接和孔隙积累仍然存在弯曲各向异性[41]。混合钢-聚乙烯纤维的SH-UHPC在-40°C时保持了6.3–6.9 MPa的拉伸强度，并将拉伸延展性提高了217%，这表明了服务环境适应性和碳减排的重要性[42]。FRP增强型的UHS-ECC永久模板也表现出更好的变形适应性和分布裂缝，表明原位系统和选择性材料部署可以提高施工效率和长期耐久性[43]。尽管后两项研究不涉及基于挤出的3DP-UHPC，但它们的耐久性和系统级设计原则可以转移到资源高效的打印结构中。

因此，3DCP与UHPC的结合成为一条有前景但技术上具有挑战性的结构级数字施工路径。结合3DCP的几何自由度与UHPC的优异机械和耐久性能，可以实现薄型、优化、耐用且高强度的打印组件，同时减少模板需求并提高设计灵活性[44]、[45]。多项研究表明，通过仔细控制粘合剂组成、水灰比、纤维含量、流变改性剂和打印参数，可以开发出可打印的UHPC或超高性能纤维增强混凝土[15]、[46]、[47]。最近的研究还探讨了特定策略，如石灰石粉的添加[48]、再生钢纤维的使用[49]、化学添加剂的修改[50]、层间粘结的改善[16]以及由打印方向和纤维方向引起的机械各向异性[51]。研究表明，3DP-UHPC比从喷嘴挤出的传统UHPC更为复杂。它还需要一种专门的混合设计理念，综合考虑构建性、机械性能、耐久性以及成本和环境因素。

“概念-工艺-性能”提供了一个闭环框架来解释3DP-UHPC。在概念阶段，首先应在组件或结构系统层面定义所需的承载能力、使用环境、使用寿命、几何分辨率、施工速率、材料利用、成本和环境目标。这些要求转化为工艺变量，包括颗粒堆积、粘合剂组成、水灰比、外加剂和纤维用量、混合顺序、泵送配置、喷嘴几何形状、挤出速率、打印速度、层高、层间间隔、环境条件和固化过程。最终的性能不是由材料或打印机单独控制的；它受到沉积过程中创建的架构的影响，包括丝状材料的几何形状、层间接触、表面湿度、孔隙分布、纤维方向和尺寸精度[52]、[53]、[54]、[55]。

因此，性能应在四个相互依赖的层面进行评估：(i) 新鲜状态和早期阶段的性能，包括泵送性、挤出性、开放时间、结构重建、形状保持和构建性；(ii) 材料性能，包括强度、抗断裂性、收缩率、运输性能和耐久性；(iii) 组件和结构性能，包括各向异性、层间失效、载荷传递、稳定性和耐久性；(iv) 环境和经济性能，包括熟料消耗、材料效率、打印失败率、隐含碳量、生命周期成本和服务寿命[56]、[57]、[58]、[59]。这种关系是系统依赖的；Gomaa等人[54]证明，相同的纳米改性UHPC混合物在不同打印系统中的形状稳定性会发生变化，而Shahzad等人[55]则表明，喷嘴直径和打印速度会影响纤维对齐，从而影响方向性机械性能。颗粒堆积的优化可以改善触变性和强度，但在打印样品中仍可能存在方向依赖性的降低[60]。在结构层面，选择性放置UHPC和传统混凝土使压缩区50%以上的纤维增强UHPC体积得以替换，同时峰值载荷减少了20%以上，成本降低了35%以上，二氧化碳排放量降低了20%以上[61]。这些发现表明，当测量到的性能超出概念目标时，应迭代地进行优化，需要重新考虑混合物、打印过程、几何形状或性能规格。

迄今为止，该领域的文献有限且大多分散。关于3DCP的综述涵盖了多个方面，包括打印技术、材料和工艺参数、可持续性、增强材料和大规模应用[1]、[2]、[11]、[12]、[21]。关于UHPC的综述涵盖了材料行为、结构应用、SCM的添加、微观结构、耐久性和可持续性[25]、[32]、[40]、[62]。然而，这些综述在探讨UHPC混合物设计与基于挤出的增材制造之间的交叉点方面存在不足。特别是，缺乏研究来探讨水泥基粘合剂的选择、SCMs的使用、纤维的添加（及其方向）、超塑化剂、粘度改性剂、纳米材料、回收材料以及打印参数如何共同影响3DP-UHPC的可打印性和可持续性。这一空白至关重要，因为传统可打印砂浆系统的发现不能直接应用于3DP-UHPC。常见的3D可打印混凝土系统通常优化挤出稳定性和构建性，但UHPC系统还必须平衡超低孔隙率、超高强度、纤维分散性、裂后性能和耐久性。此外，传统UHPC的铸造结果不能直接应用于3D打印UHPC。与铸造相比，3D打印UHPC具有剪切引起的纤维对齐、丝状材料沉积、层间粘结、开放时间、喷嘴流动和方向依赖性行为。因此，3DP-UHPC需要一种基于证据的独立综合分析，将3DP-UHPC的发现与来自一般3DCP和铸造UHPC研究的更广泛的支持证据区分开来。

因此，这篇综述专注于3D打印超高性能混凝土的混合物设计和可持续性考虑。该综述批判性地探讨了水泥基材料、SCMs、替代粘合剂、骨料、纤维、纳米材料、超塑化剂、粘度改性剂和其他添加剂如何影响3DP-UHPC的流变性、泵送性、构建性、可打印性、层间粘结和固化后的性能。本文的新颖之处在于将3DP-UHPC视为一个材料-工艺-性能-可持续性的耦合系统，而不仅仅是传统3D可打印混凝土或铸造UHPC的简单扩展。具体来说，这篇综述整合了关于3DP-UHPC混合料设计和可打印性的直接证据，将流变学要求与机械各向异性、层间粘接和纤维取向联系起来，评估了低碳和基于废弃物的材料策略在可持续性和可打印性方面的表现，并确定了实现可重复和可扩展的3DP-UHPC应用所需的测试、报告和标准化需求。这项工作旨在通过整合这些视角，帮助3DP-UHPC从实验室演示阶段走向实际的结构和基础设施应用。此外，该综述还指出了当前研究中的空白，并对未来工作提出了建议，包括采用数据驱动的方法来设计3D打印混凝土混合料，基于生命周期原则选择材料，制定可打印性评估标准，以及使用基于性能的验收标准来评估3DP-UHPC。

**文献计量分析**
在Scopus数据库中，通过标题、摘要和关键词字段进行了文献计量搜索。搜索表达式为：
`TITLE-ABS-KEY ( ("3D print*" OR "3-D print*" OR "three-dimensional print*" OR "3D concrete print*" OR "concrete 3D print*" OR "additive manufactur*" OR "extrusion-based print*" OR "robotic concrete print*") AND ( "ultra-high performance concrete" OR "ultra high performance concrete" OR "ultra-high-performance concrete" OR "ultrahigh performance concrete" OR UHPC OR UHPFRC)`

**3D打印相关的UHPC性能**
UHPC在基于挤压的3D打印中的成功应用取决于对其新鲜状态性能的精确理解和控制。为了确保打印过程的顺畅性以及沉积后结构的充分固化，流体性能与施工性能之间需要保持相对平衡。而在3DP-UHPC中，这种平衡比传统可打印砂浆更为复杂。由于设计原因，UHPC具有非常低的……

**混合料设计与可打印性优化**
UHPC的浇筑和3D打印表现出不同的流变学特性。浇筑后的UHPC像流体一样流动，流动阻力很小。当对3DP-UHPC施加剪切力时，屈服应力会先增加然后随着剪切率的增加而减小，最终达到一个稳定平台（图13-a）[44]。UHPC还表现出明显的剪切增稠现象，这一特性与其其他特性共同显著影响了……

**技术挑战（打印速度、规模、一致性）**
3D混凝土打印技术取得了显著进展，但仍面临关键挑战。一个关键问题是平衡打印速度、材料性能和结构性能[18]。理想的混凝土打印材料应具备相反的流变学特性：低粘度以实现挤出过程，同时具有高屈服应力以维持打印后的形状[211]。然而，提高打印速度会导致三种负面效应，包括丝材不稳定性和几何变形……

**未来趋势和研究方向**
未来关于3DP-UHPC的研究应遵循从研究到应用的路径，而不是同时追求多个目标。需要基于证据的材料-工艺优化；经过验证的系统必须进行数字化控制、结构评估，并转化为标准和实践。以下小节分别讨论材料、数字化设计、可持续性、测试和报告等方面的内容，并为每个方面明确了成果。

**结论**
本文对基于挤压的3DP-UHPC的混合料设计优化和可持续性考虑进行了深入评估，得出以下结论：
1. 可打印性受屈服应力、塑性粘度、触变性和结构累积的影响。报告中的数值受到混合料成分、组分特性、流变仪几何形状、测试协议、静置时间和打印系统的影响。因此，需要标准化测试和报告程序以确保结果的可靠性。

**在稿件准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的情况**
在撰写本文时，作者使用了ChatGPT 5.5和Gemini来提升语言表达、图片质量和文章的清晰度。在得到这些辅助后，作者对内容进行了全面审查和修订，以确保符合其学术标准。作者对最终发表内容的完整性承担全部责任。

**资金支持**
感谢沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学在项目编号#IN26057下的资助。

**作者贡献声明**
Muhammad Talha Shafique：撰写初稿、可视化、方法论设计、数据整理。
Elnagar Mahmoud E.：撰写初稿、可视化、方法论设计、数据整理。
Asad Hanif：撰写审查与编辑、验证、项目管理、方法论设计、数据分析、概念构建。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

**作者信息**
Mahmoud Elsayed Elnagar | Muhammad Talha Shafique | Asad Hanif