3D打印是一种集数字信息、智能制造、材料工程等诸多前沿科学技术,通过逐层堆叠累积快速构造三维物体。相比传统建造方法,建筑3D打印可免除建筑模板、实现建造复杂造型、显著降低建筑成本和提高生产效率、节约资源和劳动力。作为推动建筑业转型升级的核心科技,混凝土“油墨”材料是建筑3D打印的关键,其材料组成设计理论和制备方法是核心科学问题。在水泥基材料中引入矿物外掺料和有机外加剂,利用矿物外掺料、有机外加剂在水泥浆体中与水反应可快速生成絮凝/胶体结构,实现混凝土的快速“站立”,解决了3D打印水泥基材料（3DPC）易流动与外观保持的难题。本文从大型3D打印混凝土装备的自主设计与加工着手,到引入矿物外掺料和有机外加剂,成功制备出兼具良好流动性和站立性的3DPC,再到系统研究3DPC的流变性能和可打印性,通过宏观试验和现代分析测试技术以及模型建立相结合的方法,阐明了3DPC的层状结构与硬化力学性能之间的关系,最后剖析了3DPC的层状结构对耐久性的影响规律。主要研究成果如下:一、3D打印混凝土装备的设计与开发基于挤出式3D打印混凝土基本原理,设计并开发了大型工业级智能3D打印混凝土装备系统,其中可打印空间为1.5×1.5×1.5 m~3。创新性地提出了打印系统控制模块和XYZ轴联动模块分离的设计思想,实现了叶片搅拌、螺旋绞挤出和打印喷头行走实时相协调,形成了模型设计和数字化处理系统→3D打印混凝土装备→3D物体的梯度控制挤出式3D打印混凝土运行流程。二、3DPC的材料组成设计、制备与流变性能采用混凝土流变测试仪和水化热等分析测试技术,结合自主研发大型3D打印混凝土装备,研究了矿物外掺料、有机外加剂和水泥复合对3DPC的建造性、流变性能和絮凝/胶体结构形成过程的影响规律,提出了3DPC组成设计方法。重点研究了水胶比、骨胶比、有机外加剂种类与掺量等关键因素对流变性能的影响规律,并深入剖析了这些因素影响下的材料作用机制,建立了3DPC的流变模型,为解释其具有优越的可打印性原理提供了理论支持。三、3DPC的可打印性系统研究了水胶比、骨胶比和聚丙烯纤维、有机外加剂种类与掺量等关键因素对3DPC可打印性的影响规律,构建了3DPC打印性能评估方法和标准体系。同时,基于新拌3DPC圆柱形坯体压缩试验,结合Pascal液体（固体）压强理论,提出了3DPC连续建造高度的预测模型,并以试验予以验证,为3DPC构件连续建造时的成型质量、外观尺寸和美观提供科学保障。四、3DPC基本力学性能研究了养护龄期和制备工艺对3DPC力学强度的影响,结合X-CT三维成像技术,揭示了3DPC层状结构产生各向异性的机理:层间（相邻层）孔隙连通甚至连续、定向性分布,以及骨料、纤维与浆体界面区域的定向性分布;并提出了减少3DPC各向异性的科学方法。研究了养护龄期、层叠间隔时间和垂直堆积层数对层间（上下层）粘结性能的影响,通过MIP量化了层间孔隙分布与层间粘结强度的关系,并基于X-CT三维成像技术,建立了3DPC层间孔隙演变模型。五、3DPC的耐久性深入剖析了干燥收缩、抗冻融、抗硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透等性能,揭示了3DPC层状结构与耐久性能演变规律之间的关系。同时,基于毛细吸附理论,采用X-CT联合Cs离子增强原位、连续、可视化追踪了3DPC不同层间区域的水分传输过程,获取了不同层间区域的水分传输规律,建立了层间区域孔隙分布与毛细吸水系数的定量关系,为3D打印建筑材料的工程应用奠定了科学基础。