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3D打印混凝土（3DCP）作為數(shù)字建造的前沿技術(shù)，正在革新傳統(tǒng)建筑方式。但如何讓材料在保證打印精度的同時(shí)降低能耗，始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。澳大利亞Swinburne大學(xué)Nan Zhang博士/研究員與Jay Sanjayan教授在國(guó)際頂刊《Cement and Concrete Composites》（IF=10.8, JCR一區(qū)）上發(fā)表最新研究，首次從液橋力機(jī)制出發(fā)，解析不同流變調(diào)節(jié)劑在打印材料快速混合條件下的混合演化路徑，為實(shí)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的3DCP材料制備提供理論支撐。

在3D打印混凝土早期沉積階段，為了提高材料的堆疊穩(wěn)定性，科研人員通常摻入高劑量的流變調(diào)節(jié)劑（如羧甲基纖維素CMC或納米黏土）。雖然可顯著增強(qiáng)材料的屈服應(yīng)力與觸變性，但卻大幅提升黏度，降低其泵送性能，帶來(lái)能耗升高、堵塞等問(wèn)題。如何打破這一“泵送-建造”矛盾？團(tuán)隊(duì)聚焦于一項(xiàng)新興技術(shù)：噴頭快速混合（Quick Mixing at Nozzle），即在打印噴頭處實(shí)現(xiàn)即時(shí)混合。但在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)流變劑的高效混合和均勻分布，仍是核心技術(shù)瓶頸。

團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了兩種典型流變調(diào)節(jié)劑（CMC與納米黏土）在快速混合條件下的行為機(jī)制，聚焦以下三個(gè)核心問(wèn)題：

1. 它們?cè)谒械姆稚⒒蛉芙鈾C(jī)制有何不同？

2. 如何影響顆粒間液橋的形成與斷裂？

3. 混合過(guò)程中能耗與最終屈服應(yīng)力之間是否存在規(guī)律性聯(lián)系？

• CMC可在不攪拌下即部分溶解，快速提升水相黏度，這使混合阻力激增

Fig. 1. CMC in water a) before mixing and b) after mixing.

• 納米黏土需外部剪切破碎顆粒，粒徑分布差異顯著

Fig. 2. Nano-clay in water a) before and b) after mixing.

團(tuán)隊(duì)引入玻璃球-液橋系統(tǒng)，測(cè)定含流變劑水相的液橋力、斷裂能與臨界距離：

• CMC液橋最高斷裂能提高了3倍；

• 納米黏土液橋受其帶電邊界影響，在低劑量下也可提升液橋力，但主要由靜電吸附驅(qū)動(dòng)。
  

Fig. 3. Rupture process of a liquid bridge of mixing water of (a) Ref, (b) Clay_6.0, and (c) Gum_7.5.

Fig. 4. Separation distance versus liquid bridge force for 0.5-μL mixing water containing (a) nano-clay and (b) CMC gum.

在70秒快速混合下：

• CMC體系初期混合阻力高，但隨溶解進(jìn)程可快速下降（具有自潤(rùn)滑效果）；

• 納米黏土體系混合阻力先升后平穩(wěn)甚至增加，表明其顆粒破碎與侵蝕過(guò)程持續(xù)進(jìn)行；

• 混合能耗與液橋斷裂能存在線(xiàn)性相關(guān)，且當(dāng)濃度超過(guò)臨界值后，CMC能耗增長(zhǎng)緩于納米黏土。

Fig. 5. Mixing power consumption per volume of concrete mixed with CMC using (a) Normal Mixing Method and (b) Quick Mixing Method.

Fig. 6. Mixing power consumption per volume of concrete mixed with nano-clay by (a) Normal Mixing Method (6.5 min) and (b) Quick Mixing Method (70 s).

圖6 疏水泡沫和混凝土性能分析：（a）水下漂浮效果；（b）泡沫耐久性；（c）泡沫EDS；（d）X-ray CT孔結(jié)構(gòu)；（e）吸水率；（f）阻抗譜

• 在相同流變劑摻量下，快速混合比傳統(tǒng)混合（6.5分鐘）能獲得更高屈服應(yīng)力；

Fig. 7. Relationships between the rheology modifier dosage versus the yield stress using two mixing methods. Method 1 and Method 2 represent the Normal Mixing Method and Quick Mixing Method, respectively.

• CMC體系對(duì)混合速度更敏感，而納米黏土體系對(duì)混合時(shí)長(zhǎng)更敏感；

• 納米黏土混凝土在達(dá)到相同屈服應(yīng)力時(shí)，其混合能耗顯著低于CMC混凝土，體現(xiàn)出更高的“流變效率”。

Fig. 8. Relationships between yield stress and mixing energy of concrete made by different mixing methods. Method 1 and Method 2 represent the Normal Mixing Method and Quick Mixing Method.

研究構(gòu)建了混凝土休止?fàn)顟B(tài)下的三力平衡模型：

• 顆粒間受重力、電荷引力（納米黏土）、液橋毛細(xì)與黏滯力共同作用；

  
  

• 液橋結(jié)構(gòu)決定了屈服應(yīng)力的下限，納米黏土帶來(lái)的電荷穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可顯著提升觸變性；

  
  

• 在剪切擾動(dòng)下，液橋斷裂、體系流動(dòng)重構(gòu)，體現(xiàn)出“剪切軟化”行為。

Fig. 9. A schematic illustration of mixing concrete with nano-clay. (a) Initial state before mixing dry materials with water; (b) Dispersing part of nano-clay granules and large-sized powder particles and forming liquid bridges; (c) Small-sized nano-clay granules entering liquid bridges, where FL denotes the sum of capillary and viscous forces of liquid bridges and ∑Fe denotes the sum of electrical attraction forces provided by nano-clay.

Fig. 10. A schematic illustration of mixing concrete with CMC particles. (a) Initial state before mixing; (b) Incomplete dissolution of the CMC particles; (c) Complete dissolution of the CMC particles.

本文作者為Nan Zhang研究員（第一作者和通訊作者，Swinburne大學(xué)）、Jay Sanjayan教授，研究由澳大利亞研究委員會(huì)支持完成。

原文信息： Nan Zhang, Jay Sanjayan. Mechanisms of rheological modifiers for quick mixing method in 3D concrete printing, Cement and Concrete Composites, 2023, 142: 105218.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946523002925