3D打印水泥基材料强度偏低是目前制约其在建筑工程领域推广应用的主要问题之一。本文采用正交试验和理论计算的方法分析了原材料颗粒级配的优化问题,采用多指标考核、逐级优化、强度综合评定的试验方法,制备了一种适用于3D打印的高强水泥基活性粉末混凝土材料,并对其工作性能、强度及变形进行了讨论研究,对水泥基活性粉末混凝土的3D打印工艺进行了优化,利用数值模拟方法分析了混凝土挤出固化工艺分层成型过程对打印构件强度的影响规律,获得了3D打印用活性粉末混凝土的最佳配比。胶凝材料粉体的比例为SAC:FA:SF:SS为0.75:0.06:0.10:0.09,石英砂各级砂子的比例为0.3mm~0.6mm:0.6~1.18mm:1.18~2.36mm为0.202:0.248:0.55,砂胶比1.7,水胶比0.27,减水剂0.8%,纤维体积掺量0.8%,缓凝剂0.01%,研究成果对3D打印技术在建筑业的推广应用具有一定的参考价值。主要成果如下:(1)以最紧密堆积理论Dinger-Funk方程为基础,利用原材料颗粒粒径正态分布特征,采用数值分析方法计算出了活性粉末混凝土粉体的最佳比例,通过最小基本需水量和标准稠度法以及正交试验对计算结果进行了验证。结果表明硅灰掺量与理论计算值存在一定差距,其它矿物掺合料较接近。矿物掺合料可改善水泥复合体系的粒度分布,调整硫铝酸盐水泥水化产物的微观结构,减小界面过渡区的厚度,使水泥石的致密度和结构的稳定性得到提高;硅灰的微集料填充效应和火山灰活性可提高复合水泥浆体的早期强度,但早期快速释放的水化热消耗了大量的水分从而影响了复合浆体的流动性和后期强度,因此需综合考虑硅灰在水泥浆体中的作用;最小基本需水量和标准稠度相关性较好,可用标准稠度取代最小基本需水量来确定活性粉末混凝土粉体的最佳比例。(2)通过正交试验方法分析了3D打印用活性粉末混凝土工作性能影响因素及其间的相关性,通过浆体的表观效果、流动速率和堆积层数对正交试验配比进行了逐级优化,初步得到了4组适合打印的混凝土配比。流动度和堆积高度与挤出率之间有较好的相关性,与触变灵敏度相关性较弱,二者结合起来可较全面地评价3D打印混凝土的工作性能;水胶比和减水剂对3D打印用混凝土的影响明显大于矿物掺合料的影响。(3)研究了不同配比参数对混凝土强度的影响,通过强度综合评定试验得到了适于打印且力学性能优良的配比,2h强度达到了6.6MPa,28d强度达到了91.4MPa,混凝土强度稳定发展没有出现强度倒缩现象;3D打印用混凝土水胶比的确定需综合考虑工作性能和强度,在满足工作性能的基础上可降低水胶比以提高混凝土的强度;聚丙烯纤维增加了混凝土的粘聚性,起着调节3D打印混凝土流动性的作用;成型过程中上下层混凝土水化程度的差异使得层间界面处应力较集中,降低了其强度,当间隔时间接近混凝土初凝时间时强度损失达到36%。(4)利用3D打印技术打印了不同形状不同层数的建筑构件。获得了适合活性粉末混凝土打印的工艺参数,即打印速度50mm/s,找平层数范围底1~3层,厚度保持在5±3mm范围之内,正常打印厚度10mm;打印线宽对打印构件尺寸影响较大;处在可塑状态的混凝土打印初期需有一个找平阶段,找平阶段过后打印厚度趋于一定值;打印混凝土的变形过程分为线性变形阶段、弹塑性阶段和塑性破坏阶段三个阶段,以弹塑性阶段为主,此阶段开始出现横向挤压变形;横向应变较竖向应变更适合用来评价3D打印混凝土的可塑性;打印混凝土材料的不均匀性使得打印构件强度的应力-应变曲线波动较大;在打印高度一定的条件下,打印层数越多,强度损失越多,最低强度为60.4MPa,损失量为26.3%;打印工艺对强度影响的数值模拟结果略高于试验结果。(5)利用XRD、SEM测试手段研究了3D打印用活性粉末混凝土的水化硬化机理和微观结构,探明了水化产物的组成及微观结构特征,揭示了活性粉末混凝土在打印工艺影响下仍旧具有较高力学性能的原因:矿物掺和料活性组分的二次水化反应和颗粒间的密实填充效应一定程度上弥补了层间缺陷带来的强度损失。