复掺缓凝剂对3D打印混凝土建造性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0892

摘要/Abstract

摘要：

为满足3D打印混凝土连续化作业对抗压强度和凝结时间等性能的要求，本文采用葡萄糖酸钠和柠檬酸钠复配缓凝剂的方式，通过测试复合浆体流变特性、抗压强度及凝结时间等性能，成功制备了可同时满足可打印性、可建造性、抗压强度及凝结时间的3D打印混凝土。结果表明：当柠檬酸钠和葡萄糖酸钠掺量在0.02%~0.10%（质量分数）、复配缓凝剂总掺量在0.10%和0.12%时，均可有效延缓水泥水化，初凝、终凝时间相较对照组分别增长了32~42 min和34~50 min；复配缓凝剂总掺量变化对不同组分间凝结时间、早期强度及流变特性的影响并不显著，但柠檬酸钠与葡萄糖酸钠的占比变化，对3D打印混凝土的凝结时间、早期强度及流变特性影响较为显著。当柠檬酸钠与葡萄糖酸钠掺量在1∶1~2∶1时，3D打印混凝土整体性能较优。同时，利用复合缓凝剂制备的3D打印混凝土成功实现了预制叠合楼板边模的连续化打印。

关键词: 3D打印混凝土, 复合缓凝剂, 葡萄糖酸钠, 柠檬酸钠, 混凝土性能, 工程应用

Abstract:

This study addressed the requirements for compressive strength and setting time in continuous 3D printing concrete construction by employing a composite retarder of sodium gluconate and sodium citrate. By testing rheological properties， compressive strength， and setting time of the composite paste， a type of 3D printing concrete was successfully developed that concurrently met the demands of printability， buildability， compressive strength， and setting time. The results indicate that when the dosage of sodium citrate or sodium gluconate is between 0.02% and 0.10% （mass fraction）， or when the composite retarder dosage is 0.10% or 0.12%， the cement hydration is effectively delayed. Compared to the reference group， the initial and final setting times are extended by 32~42 min and 34~50 min， respectively. The variation in total composite retarder dosage shows no significant effect on the setting time， early-age strength， or rheological properties of different mixtures. However， the variation in proportion between sodium citrate and sodium gluconate demonstrates considerable influence on the setting time， early-age strength， and rheological properties of the 3D printing concrete. When the mass ratio of sodium citrate to sodium gluconate ranges from 1∶1 to 2∶1， the overall performance of the 3D printing concrete is optimal. Additionally， the 3D printing concrete prepared with composite retarder is successfully enabled the continuous printing of precast composite floor slab side formwork.

Key words: 3D printing concrete, composite retarder, sodium gluconate, sodium citrate, concrete performance, engineering application

中图分类号:

TU528

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图/表 16

表1 OPC和HBC的物理性能

Table 1 Physical properties of OPC and HBC

Material	Setting time/min		Compressive strength/MPa		Flexural strength/MPa		Specific surface area/（kg·m^-3）
Material	Initial setting time	Final setting time	3 d	28 d	3 d	28 d	Specific surface area/（kg·m^-3）
OPC	138	186	35.2	68.1	6.2	9.0	363
HBC	23	27	25.8	44.1	5.8	7.6	485

图1 柠檬酸钠和葡萄糖酸钠的SEM照片

Fig.1 SEM images of SC and SG

图2 机制砂粒径分布

Fig.2 Particle size distribution of manufactured sand

表2 3D打印混凝土配合比

Table 2 Mix proportions of 3D printing concrete

Sample No.	Mass/g							Mass fraction/%
Sample No.	OPC	HBC	FA	HPMC	SP	Water	Sand	SC	SG
Reference	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0	0
SCG1	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.02	0.08
SCG2	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.04	0.06
SCG3	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.06	0.04
SCG4	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.08	0.02
SCG5	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.04	0.08
SCG6	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.06	0.06
SCG7	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.08	0.04
SCG8	500	350	150	0.2	0.5	300	1 100	0.10	0.02

图3 可建造性测试

Fig.3 Measurement of constructability

图4 稳态剪切应力测试结果

Fig.4 Test results of steady-state shear stress

图5 稳态剪切应力随时间的变化

Fig.5 Variation of steady-state shear stress with time

图6 可建造性测试结果

Fig.6 Test results of buildability

图7 流动性测试结果

Fig.7 Test results of fluidity

图8 凝结时间测试结果

Fig.8 Test results of setting time

图9 抗压强度测试结果

Fig.9 Test results of compressive strength

图10 掺加柠檬酸钠和葡萄糖酸钠的水泥浆体水化1 d的XRD谱

Fig.10 XRD patterns of cement paste with addition of SC and SG hydrated for 1 d

图11 掺加柠檬酸钠和葡萄糖酸钠的水泥浆体水化1 d的矿物组成

Fig.11 Mineral composition of cement paste with addition of SC and SG hydrated for 1 d

图12 掺加柠檬酸钠和葡萄糖酸钠的水泥浆体的1 d的SEM照片

Fig.12 SEM images of cement paste with addition of SC and SG hydrated for 1 d

图13 3D打印叠合楼板批量化生产和施工过程

Fig.13 Mass production and construction process of 3D printing precast composite floor slabs

表3 工程应用中3D打印混凝土性能

Table 3 Performance of 3D printing concrete in engineering applications

Inspection item		Standard requirement	Performance	Inspection standard
Outflow fluidity/mm		180~200	195	T/CECS 786—2020
Inital setting time/min		—	51	JGJ/T 70—2009
Final setting time/min		—	85	JGJ/T 70—2009
Printable time/min		—	25	Field measurement
Compressive strength（on-site sampling）/MPa	6 h	—	11.2	T/CECS 786—2020
	8 h	—	15.7
	28 d	≥30	54.8
Extrudability		Continuous， uniform， unobstructed， and free of significant cracking	Continuous， uniform， unobstructed， and free of significant cracking	T/CECS 786—2020
Stand ability		Shape remains stable and does not collapse after extrusion	Shape remains stable and does not collapse after extrusion	T/CECS 786—2020
Interlayer bonding strength/MPa		≥1.5	3.4	T/CECS 786—2020
Interlayer splitting strength/MPa		≥1	2.8	T/CECS 786—2020
Printing strength reduction rate/%		≤20	-3	T/CECS 786—2020
28 d drying shrinkage		—	273×10^-6	GB/T 50082—2024

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