3D Construction Printing of Coarse Aggregate Cementitious Composite

Abstract
Stavební průmysl v současnosti prochází rychlým rozvojem. To vede k nadměrnému využívání omezených přírodních zdrojů a k vysoké produkci skleníkových plynů (až 39 % celosvětové produkce CO2). V tomto kontextu je jednou z hlavních environmentálních výzev výroba cementových pojiv. Přestože probíhá intenzivní výzkum alternativ k cementu, tradiční stavební materiály nabízejí mnoho nevyužitého potenciálu. Důsledkem situace je transformace tradičního stavebnictví v podobě využití inovativních metod výroby jako je automatizace. Jedná se především o aditivní výrobu, konkrétně 3D tisk ve stavebnictví, označovaný jako 3DCP (3D Construction/ Concrete Print). Dizertační práce zkoumá možnosti využití směsi s hrubým kamenivem pro 3DCP. Tato směs může přinést efektivnější výrobu, úsporu dalších komponent směsi, snížení množství používaného portlandského cementu a následné snížení emisí CO2. Práce zkoumá zpracovatelnost směsi s hrubým kamenivem o velikosti 8 mm a její vliv na parametry tisku. Nalezení optimální kombinaci procesních parametrů směsi pomocí simulačních nástrojů může zlepšit její vystavitelnost, eliminovat potřebu přístupu pokus-omyl a tím rapidně redukovat množství odpadu. Analýza výsledků ukázala, že směs s hrubým kamenivem vykazuje nižší vystavitelnost ve srovnání se směsí bez hrubého kameniva. I když směs s kamenivem nebyla tak rigidní jako směs bez kameniva, hodnoty Youngova modulu jsou srovnatelné s jinými studiemi zabývající se tisknutelným betonem v raném stáří směsi. Vhodné kombinace parametrů procesu 3D tisku byly nalezeny metodou plánovaného experimentu a následně ověřeny simulačním nástrojem Abaqus. Tyto parametry vedou k minimalizaci deformací, vyšší stabilitě a vystavitelnosti tiskové geometrie. Směs s kamenivem tak snižuje potřebu ostatních složek materiálu směsi přibližně o 16 %, redukuje spotřebu cementu a dochází k významnému snížení emisí CO2 – ekvivalent 52 kg na metr krychlový betonu. Tyto faktory v kombinaci s technologií 3D tisku společně podporují udržitelnější přístup k průmyslové výrobě ve stavebnictví. Tato práce přispívá k hlubšímu pochopení chování cementových kompozitů s hrubým kamenivem o velikosti až 8 mm a jeho závislosti na tiskových parametrech. Získané poznatky a výsledky jsou shrnuty ve třech vědeckých článcích publikovaných v impaktovaných časopisech.
Today, the construction industry experiencing a period of rapid development. This is resulting in a massive production of greenhouse gas emissions (39% of global CO2 production) and an overexploitation of scarce natural resources leading to inevitable climate change. In this context, cement binders production represents one of the most significant environmental challenges. Despite extensive research being conducted on alternatives to cement, there remains considerable untapped potential in conventional building materials. The situation has led to a paradigm shift in the conventional construction sector, as inventive manufacturing techniques, including automation, are implemented. This predominantly involves additive manufacturing, particularly 3D printing in the construction industry, commonly referred to as 3DCP (3D Construction/ Concrete Print). The dissertation examines the possibilities of using a mixture with coarse aggregate for 3DCP technology. This mixture has the potential to increase production efficiency and reduce the amount of other components, decreasing Portland cement usage and as a result, CO2. The thesis investigates a workability of a mixture containing 8 mm coarse aggregate and its effect on the printing parameters. Finding the optimal combination of process parameters for a mixture using simulation tools can improve its buildability, eliminate the need for a trial-and-error approach and thus rapidly reduce waste. Analysis of the results demonstrates that the mixture containing coarse aggregate exhibits less buildability than the mixture without coarse aggregate. Although the mix containing coarse aggregate exhibited a lower level of rigidity in comparison to the mix without coarse aggregate, the Young's modulus values obtained are similar to those reported in other research dealing with printable "concrete" at early mixture ages. Further investigation using Design of Experiment (DOE) techniques resulted in a combination of 3D printing process parameters (print footprint dimensions, print speed) that were validated by the simulation software Abaqus. The utilisation of these process parameters has resulted in enhanced print stability, thereby improving the buildability of the printed object, and reducing the occurrence of deformation. The mixture containing coarse aggregate effectively diminishes the requirement for additional mix material components by around 16%, resulting in decreased cement consumption and substantial CO2 emissions (equivalent to 52 kg per cubic metre of concrete). These factors, in conjunction with 3D printing technology in the construction industry, contribute to a sustainable approach to industrial production. This research contributes to a greater comprehension of the behaviour of cementitious composites with coarse aggregate sizes of up to 8 mm and their dependence on printing parameters. The findings and outcomes are summarised in three peer-reviewed scientific articles.
Description
Citation
VESPALEC, A. 3D Construction Printing of Coarse Aggregate Cementitious Composite [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda) dr.inž. Slawomir Czarnecki (člen) Dr. Ena Lloret-Fritschi (člen) prof. Ing. Jiří Kala, Ph.D. (člen) doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
Defence
DP splňuje požadavky plynoucí z § 47 Zákona č.111/1998 Sb. Zákona o vysokých školách a o změně a doplnění zákonů a z článku 42 Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně. Obsahuje původní výsledky uveřejněné mj. ve třech článcích v impaktovaném časopise.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení
DOI
Collections
Citace PRO