Entwicklung einer Feinkornbetonrezeptur für den Beton-3D-Druck

Abstract

The aim of the present work was to develop a stable fine-grained concrete mixture for use in the concrete 3D printing extrusion process. For that purpose, the theoretical fundamentals of 3D printing were explained first; the different concrete 3D printing processes and the extrusion process were then described in more detail. At the same time, applicable mechanical engineering aspects were explained along with the complex concrete technology requirements for the mixture’s formulation. Afterwards, the construction of a simple 3D printing test facility in the laboratory was described. This facility was used for the initial tests at the beginning of the experimentation. In addition to the self-built test facility, the concrete 3D printer of an industrial partner was used for practical tests. The development of the mixture began with the search for a formula with the highest possible packing density. The rheological properties of this mixture had to be measured and optimised with a rotational rheometer. Due to the too-rapid stiffening of the fresh concrete, the rheometer experiments proved to be problematic and were cancelled; however, rapid stiffening is a positive aspect for use in concrete 3D printing, so the developed mixture was further optimised. For this purpose, a variation of the essential starting materials and the w/c ratio was performed. Finally, the developed mixtures were tested on the concrete 3D printer. The mixture optimisation revealed the different behaviour of diverse cements when solidification accelerators were added: both the achievable strength and the solidification behaviour differed significantly with the addition of an accelerator. It furthermore revealed that concrete strength increasingly declines with increasing accelerator content. The effects of the investigated solidification accelerators also differed significantly from one another. The key finding of this work is the necessity to continuously control the concrete properties. Even small changes in the cement quality or the accelerator can alter the concrete properties greatly.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer stabilen Feinkornbetonrezeptur für die Verwendung im Beton-3D-Druck-Extrusionsverfahren. Dazu wurden zu Beginn die theoretischen Grundlagen des 3D-Drucks erläutert. Anschließend wurden die unterschiedlichen Beton-3D-Druckverfahren sowie im speziellen das Extrusionsverfahren genauer beschrieben. Dabei wurden maschinenbauliche Aspekte ebenso erklärt, wie die komplexen betontechnologischen Anforderungen an die Mischungsrezeptur. Danach wurde der Bau einer einfachen Beton-3D-Druck-Versuchseinrichtung im Labor beschreiben, welche zu Beginn der Versuche für erste Tests verwendet wurde. Neben der selbst gebauten Versuchseinrichtung kam der Beton-3D-Drucker eines Industriepartners für Praxistests zum Einsatz. Die Mischungsentwicklung begann mit der Suche nach einer Rezeptur mit möglichst hoher Packungsdichte. Die rheologischen Eigenschaften dieser Mischung sollten mit einem Rotationsrehometer gemessen und optimiert werden. Aufgrund des zu schnellen Ansteifens des Frischbetons erwiesen sich die Rheometerversuche als problematisch und wurden abgebrochen. Das schnelle Ansteifen ist jedoch eine positive Eigenschaft für die Verwendung im Beton-3D-Druck, weshalb die entwickelte Mischung weiter optimiert wurde. Dazu wurde eine Variation der wesentlichen Ausgangsstoffe sowie des W/Z-Werts durchgeführt. Abschließend wurden die entwickelten Mischungen am Beton-3D-Drucker getestet. Die Mischungsoptimierung zeigte das unterschiedliche Verhalten verschiedener Zemente bei Beschleunigerzugabe. Dabei unterschied sich sowohl die erreichbare Festigkeit, wie auch das Erstarrungsverhalten bei Erstarrungsbeschleunigerzugabe deutlich. Weiters wurde gezeigt, dass die Betonfestigkeit mit steigendem Beschleunigergehalt zunehmend fällt. Die Wirkung der untersuchten Erstarrungsbeschleuniger unterschied sich ebenfalls deutlich voneinander. Zentrale Erkenntnis der Arbeit ist die Notwendigkeit einer stetig durchzuführenden Kontrolle der Betoneigenschaften. Bereits geringe Änderungen bei der Zementqualität oder des Beschleunigers können die Betoneigenschaften stark verändern.