全文总字数：7733字
1. 研究目的与意义（文献综述）
混凝土因“价廉物美”成为当今世界上用量最大的结构材料之一，为人类社会的建设和进步做出了较大的贡献。但混凝土在生产及应用过程中的高能耗、高污染等问题已成为制约混凝土材料发展的一大阻力。而 3d 打印技术的出现与应用颠覆了传统的生产模式，因此被看作“第三次工业革命”的代表。
近年来依托 3d打印技术在其他领域内取得的成功经验，3d 打印技术开始与建筑工程领域进行结合，即3d 打印混凝土技术。
3d 打印混凝土技术是一项新的基于增材制造成型工艺的建造技术，是以数字模型为基础，以胶凝材料、掺合料、添加剂、特种纤维、骨料为主制成的特殊“油墨”，运用计算机制图将建筑模型转化为三维设计图后，通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将建筑物打印建造出来的技术。研究3d打印混凝土的主要意义在于：
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
1.分析3D打印混凝土所应该具备的各种性能指标及其影响因素，提出其测试方法。
2.基于3D打印混凝土的性能，分析各原料的特点及对混凝土性能的影响，选择合适的原料来实现所要达到的性能目标。
3.设计合适的配合比实验方案，通过该方案能够找到所研究混凝土的较佳配合比。
4.给出一种用于实验室模拟打印的挤出装置。
分析国内外3D打印混凝土的研究进展，并从3D打印混凝土材料的性能要求及性能评价方法出发，分析各原料特点并选择适当的水泥、外加剂如促凝剂和减水剂、纤维材料用于调节混凝土流动性、可挤出性能、可建造性能、凝结时间及力学性能等重要性能评价指标，得到一种用于研发以OPC-SAC复合水泥为主要材料的新型3D打印混凝土材料的实验方案，最后给出一种模拟打印挤出装置。
2.2 研究目标
1、分析得到3D打印混凝土应该具有的性能，分析各原料的特点，并依据性能选取合适的原料，设计合适的配合比实验方案，通过该方案能够找到所研究混凝土的较佳配合比。
2、给出一种用于实验室模拟打印的挤出装置。
2.3 技术方案
1、实验原料：华新水泥有限公司生产的PO42.5水泥，河北唐山北极熊建材有限公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥，粒径0.25-0.5mm的中砂、尾矿砂，市政自来水，碳酸锂，聚羧酸高效减水剂，碳纤维及玄武岩纤维。
2、实验仪器设备：实验室用砂浆搅拌仪器，3D打印模拟混凝土挤出装置，水泥胶砂流动度测定仪，凝结时间测定仪，标准水泥混凝土养护箱。
3、实验方案设计：
实验的设计采用正交实验的方法，实验因素有6个：因子A为水灰比，按照国内研究者的经验选择水灰比为0.33-0.40较为合适，因此该因子选为4水平（0.33、0.35、0.37、0.39）；因子B为胶砂比（浆骨比），4水平（1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75）；因子C为OPC-SAC复合水泥中SAC的含量，4水平（5%、10%、15%、20%）；因子D为碳酸锂的添加含量，3水平（0.7%、1%、1.3%）；因子E为聚羧酸减水剂含量，3水平（0.7%、1%、1.3%）；因子F为添加1%碳纤维或1%玄武岩纤维，2水平（1%碳纤维、1%玄武岩纤维）。
据此借助SPSSAU设计工具使用allpairs正交设计算法设计的实验方案如表所示（各因子的水平分别按正整数顺序编号）。共19个实验，对每个实验方案将按前述测试方案考察其流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间、力学强度等性能，并最终通过实验结果和数据方差分析结果（同样可在SPSSAU中找到对应的处理表）选出最佳的一组，从而确定可打印混凝土的配制方案。
实验方案
| 实验编号 | 因子A | 因子B | 因子C | 因子D | 因子E | 因子F | 备注 |
| |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | A1B1C1D1E1F1 | ||
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | A2B2C2D2E2F1 | ||
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 1 | A3B3C3D3E3F1 | ||
| 4 | 4 | 4 | 4 | 3 | 2 | 2 | A4B4C4D3E2F2 | ||
| 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 1 | 2 | A4B3C2D1E1F2 | ||
| 6 | 3 | 2 | 1 | 2 | 3 | 2 | A3B2C1D2E3F2 | ||
| 7 | 2 | 1 | 4 | 1 | 3 | 2 | A2B1C4D1E3F2 | ||
| 8 | 1 | 4 | 3 | 2 | 1 | 2 | A1B4C3D2E1F2 | ||
| 9 | 1 | 2 | 4 | 3 | 1 | 1 | A1B2C4D3E1F1 | ||
| 10 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 1 | A3B4C2D1E3F1 | ||
| 11 | 4 | 1 | 3 | 2 | 2 | 1 | A4B1C3D2E2F1 | ||
| 12 | 2 | 3 | 1 | 3 | 2 | 1 | A2B3C1D3E2F1 | ||
| 13 | 3 | 1 | 4 | 3 | 1 | 1 | A3B1C4D3E1F1 | ||
| 14 | 1 | 3 | 4 | 2 | 3 | 1 | A1B3C4D2E3F1 | ||
| 15 | 2 | 4 | 3 | 1 | 1 | 1 | A2B4C3D1E1F1 | ||
| 16 | 4 | 2 | 3 | 1 | 3 | 1 | A4B2C3D1E3F1 | ||
| 17 | 1 | 4 | 2 | 3 | 2 | 1 | A1B4C2D3E2F1 | ||
| 18 | 4 | 4 | 1 | 1 | 2 | 1 | A4B4C1D1E2F1 | ||
| 19 | 3 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | A3B1C2D1E2F1 |
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4、性能测试：
1)流动性：流动性好坏关系到在打印过程中用于3D 打印的打印材料能否顺利从储料系统输送到打印机喷嘴。由于 3D 打印机的送料系统存在差异性，故3D 打印混凝土的流动性目前尚无明确定义。根据相关文献，本论文采用跳桌流动度来评价 3D 打印混凝土的流动性。跳桌流动度通过水泥胶砂流动度测定仪进行测定，俗称电动跳桌试验，按照GB/T2419-2005标准，测定水泥胶砂流动度的步骤为：
a) 制备胶砂，用潮湿棉布擦拭跳桌台面、试模内壁、捣棒以及与胶砂接触的用具，将试模放在跳桌台面中央并用潮湿棉布覆盖；
b)将拌好的胶砂分两层迅速装入试模，第一层装至截锥圆模高度约三分之二处，用小刀在相互垂直两个方向各划5次，用捣棒由边缘至中心均匀捣压15次；随后，装第二层胶砂，装至高出截锥圆模约20mm，用小刀在相互垂直两个方向各划5次，再用捣棒由边缘至中心均匀捣压10次；
c) 捣压后胶砂应略高于试模。捣压深度，第一层捣至胶砂高度的二分之一，第二层捣实不超过已捣实底层表面。装胶砂和捣压时，用手扶稳试模，不要使其移动；
d)捣压完毕，取下模套，将小刀倾斜，从中间向边缘分两次以近水平的角度抹去高出截锥圆模的胶砂，并擦去落在桌面上的胶砂。将截锥圆模垂直向上轻轻提起。立刻开动跳桌，以每秒钟一次的频率，在25s±1s内完成25次跳动；
e) 流动度试验，从胶砂加水开始到测量扩散直径结束，应在6min内完成。
f) 跳动完毕，用卡尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径，计算平均值，取整数，单位为毫米。该平均值即为该水量的水泥胶砂流动度。
根据相关文献，满足打印要求的流动性范围大致为170 ～ 226 mm。
2)可挤出性：
3D 打印混凝土的可挤出性是其工作性的一个重要指标，根据相关文献，可挤出性测定采用自 8 × 8 mm2 的方形开口的打印喷嘴挤出长丝的连续性和稳定性来定性评价：在打印速率、挤出速率和打印头喷口至打印条高度不变的情况下，通过喷嘴挤出总长为 1000 mm 的连续长丝，观察打印头喷嘴出料的连续性和均匀性，测试结果划分为“上”、“中”和“下”3 个等级。
3)可建造性：
可建造性是描述 3D 打印混凝土打印层能否叠加堆积的重要性质，是评价混凝土材料可打印性能的另一个关键参数，它是指打印材料能保持其形状的能力和在本身自重下的抗变形能力，通过打印堆叠实验来进行评价：打印垂直堆叠长度为 250 mm、宽度为 30 mm的10层挤压长丝，层高度为 8 mm，若在 10 min 的静置时间内不坍塌，则表明打印性良好。
4)凝结时间：
采用传统测定水泥净浆凝结时间的方法来测定拌合物（不加骨料）的初终凝时间
a) 称取水泥试样500g，按测定的标准稠度用水量乘以水泥质量数加水，搅拌制备标准稠度的水泥净浆，并记录水泥全部加入水中的时间作为凝结时间的起始时间。
b)将试模放置在玻璃板上，内侧涂少许机油。将水泥净浆立即一次装入试模，振动数次刮平，然后放入湿气养护箱内。
c) 调整测定仪，使试针接触玻璃板时，指针对准零点。测定时从养护箱中取出试模放到试针下，将试针调到与水泥净浆表面刚要接触时止住。拧紧止动螺丝1s～2s后，突然放松，让试针垂直自由地沉入水泥净浆。观察试针停止下沉或释放试针30s时指针的读数。测定时应注意，在最初测定的操作时应轻轻扶持金属柱，使其徐徐下降，以防试针撞弯，但结果以自由下落时为准。
d) 试件在湿气养护箱中养护至加水后30min后进行第一次测定，以后隔一定时间测一次。临近初凝时，每隔5min测一次；临近终凝时，每隔15min测一次。到达初凝和终凝时应立即重复测一次，两次结论相同时才能定为到初凝或终凝状态。在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下，翻转1800，直径大端向上，小端向下放在玻璃板上，再放入湿气养护箱中继续养护。每次测定时，试针贯入的位置至少要距试模内壁10mm，并不得让试针落入原测试孔内，每次测定后，均须将试模放回养护箱内，并将试针擦净，整个测试过程防止试模受振。记录初凝速度进行综合评价。
5)力学性能测试：
力学性能的测试参照《混凝土强度检验评定标准》GB/T50107-2010中的相关规定进行。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4－5周：按照设计方案，以普通水泥和硫铝酸盐水泥为主要材料，通过添加速凝剂、减水剂等外加剂以及纤维等材料，进行可打印混凝土设计。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] lim s, buswell r, le t, et al. developments inconstruction-scale additive manufacturing processes[j]. automation inconstruction,2011,21:262-268.
[2] 赵文斌,林思远,邵明刚,等.不同纤维素醚含量对3d打印混凝土强度性能的影响研究[j].国防交通工程与技术,2019,17(03):27-29 34.
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