全球每年的建筑和拆除废弃物超过100亿吨,其中混凝土废弃物占很大比例,因此这些废弃物的回收和资源再利用已成为行业可持续发展的关键问题。传统的处理方法面临效率低和环境影响大的挑战,使得废弃混凝土的高效回收和增值成为当前的研究热点[1]。在这种背景下,3D打印混凝土(3DPC)技术为建筑行业的绿色转型和智能化升级提供了新的途径,它利用了数字化、无需模板施工和高效率等优点[2]、[3]。将再生骨料(RA)纳入3DPC系统不仅促进了建筑废弃物的资源循环,还降低了材料成本,从而实现了环境和经济效益的协同[4]、[5]。
然而,再生骨料的特性(如表面附着的老砂浆、不规则的颗粒形状和高吸水性)严重影响了3DPRAC的易加工性,特别是其流动性和泵送性,给实际应用带来了显著挑战[6]。材料在挤出过程中必须保持足够的流动性,同时在沉积后迅速发展出足够的强度以支撑后续打印层[7]、[8]、[9]。这要求对混合比例和打印工艺参数进行更加严格的协调优化。目前,关于传统3DPC的流变和力学性能的研究已经建立了基础性理解。Roussel等人[7]指出,3DPC的流变性能必须在可挤出性和可施工性之间取得平衡。Zhang等人[10]通过将台式测试结果与挤出流动行为相关联,开发了3DPC的流动性评估框架。Panda等人[11]提出通过连续打印测试来确定坍塌高度来量化材料的可施工性。Wolfs等人[12]实验发现,3DPC的压缩强度和抗弯强度在平行于和垂直于打印方向的方向上有所不同,层间界面被认为是力学性能中的薄弱环节[12]、[13]。然而,针对再生系统的系统研究仍然不足。Kazemian等人[9]研究了3DPC的流变性能与打印质量之间的关系,确定剪切应力是影响可打印性的关键参数。Panda等人[14]使用电台测试建立了3DPRAC的易加工性和可施工性之间的关联模型,尽管他们的研究主要集中在传统胶凝材料上。关于再生系统的研究,特别是在流变性能的调控、工艺参数的优化以及微观机制的阐明方面,还需要进一步深入探索。
基于上述背景,本研究旨在系统地研究3DPRAC的流变特性调控及其与易加工性的关联,并利用响应面方法优化打印工艺参数,从而为3DPRAC的工程应用提供理论指导和技术支持。本研究的主要创新包括:(1)研究静置时间和RFA替代率对3DPRAC流动性的影响及其流变特性的调控机制;(2)阐明流动性与可施工性和力学性能之间的关系,并通过微观结构分析阐明宏观易加工性的调控机制;(3)确定确保稳定成型的3DPRAC的混合比例和流动性范围;(4)利用响应面方法系统优化3D打印机参数,以获得最佳参数组合。