Nanyang Technological University: Stampa 3D di miscele di ceneri ad alto volume per l’edilizia
Nella recente pubblicazione ” Stampa 3D di miscele di ceneri volanti ad alto volume per la costruzione di calcestruzzo digitale “, lo studente di tesi della Nanyang Technological University Biranchi Panda esplora come i geopolimeri a base di ceneri volanti possono essere migliorati e utilizzati nella stampa 3D in edilizia.
Il calcestruzzo è uno dei materiali più utilizzati al mondo e gli appaltatori hanno una gamma di opzioni tra cui scegliere oggi tra materiali rinforzati con fibre, realizzati con polimeri e persino autocompattanti. Ci sono molti vantaggi disponibili con l’uso di SCC, tra cui fluidità, qualità della superficie, durata e altro. La fabbricazione di geometrie complesse, tuttavia, è ancora impegnativa, che richiede costi aggiuntivi e la necessità di più forza lavoro.
La stampa 3D non sta solo attirando l’attenzione degli utenti dell’industria nel settore delle costruzioni, ma sta anche guadagnando rapidamente trazione come una tecnologia più veloce, più economica e più versatile rispetto ai metodi convenzionali. I sistemi di stampa 3D di solito consistono in:
Serbatoio di miscelazione del materiale
Sistema di pompaggio del materiale
Sistema di estrusione, caratterizzato da una testina di stampa con un ugello
Scatola di controllo con elettronica
Sistema di sicurezza
Rispetto alla progettazione assistita da computer (CAD), alla modellazione di informazioni sulla costruzione (BIM) e a una gamma di strumenti software, 3DCP offre vantaggi come una migliore ottimizzazione della topologia, opportunità di progettazione più versatili, velocità nella produzione e la capacità di costruire articoli che potrebbero non sono stati possibili in precedenza. Questa tecnologia offre anche il potenziale per ridurre gli impatti ambientali della stampa 3D, un altro vantaggio positivo, poiché attualmente la produzione di cemento rappresenta il cinque percento della produzione globale di CO2.
Attualmente, i materiali sostenibili a base di ceneri volanti sembrano molto attraenti in quanto possono produrre l’80% in meno di CO2 rispetto alla normale produzione di cemento Portland e anche le proprietà meccaniche tendono ad essere più elevate.
“È noto che la tixotropia è una delle proprietà importanti in tutti i progetti di stampa 3D. Il PC ha una proprietà intrinseca di tixotropia eccellente dovuta alla flocculazione e la letteratura rivela che in presenza di materiali estranei come FA, sabbia, riempitivi, la sua rete colloidale si rompe, con conseguente [in] perdita della tixotropia “, afferma Panda.
“Uno di questi esempi è il materiale ad alto volume di ceneri volanti (HVFA) che non solo possiede una bassa tixotropia ma anche un lento tasso di indurimento. Nonostante la sostenibilità, le scarse proprietà meccaniche della prima infanzia ne limitano l’applicazione per i progetti di stampa 3D “.
Questo problema ha portato Biranchi Panda a eseguire lo studio attuale, sperando di perfezionare la stampabilità dei leganti HVFA e di comprendere meglio il cemento HVFA e i geopolimeri in generale. Il primo passo considerato da Panda è stato quello di creare materiali di estrusione fluidi che mantengano la loro forma durante tutto il processo. Con la stampa 3D, il processo può avvenire direttamente in cantiere o in un’altra posizione, dove le parti prefabbricate vengono unite e trasportate per il montaggio.
“La scelta della produzione può essere di nuovo simile ai normali elementi di parete o può anche essere ottimizzata per ridurre al minimo lo spreco di materiale e i costi di costruzione”, afferma Panda.
La sabbia fine del fiume è stata usata per preparare la malta, poiché è facilmente accessibile a Singapore. Le miscele preparate da Panda e dal team di ricerca sono state create per migliorare la tixotropia, misurando proprietà come la resistenza a compressione, flessione e trazione. È stata inoltre eseguita un’analisi microstrutturale. Alla fine, Panda riferisce che il cemento di cenere volante è stato trovato per essere “stampabile”, sebbene ci siano state sfide nella costruzione di forza nel materiale HVFA:
“Pertanto, è stata aggiunta una quantità molto piccola (<1%) di nanoclay (NC) per migliorare le proprietà meccaniche della prima infanzia migliorando la tixotropia a livello di microstruttura. Gli effetti dell’NC sulla tixotropia sono stati testati per la prima volta con diverse velocità di taglio e tempi di taglio e si è riscontrato che, rispetto al controllo, la miscela aggiunta NC ha il potenziale per stabilizzare il recupero della viscosità anche dopo un forte taglio per un tempo più lungo. Tuttavia, l’effetto di NC non è stato significativo nell’aumentare il tasso di aumento della resistenza (accumulo strutturale), che è più controllato dalla reazione di idratazione. “
Le proprietà meccaniche della malta sono state influenzate anche dai parametri di stampa, che è un problema comune nella fabbricazione digitale. Nel geopolimero è stata inoltre riscontrata una maggiore forza di adesione, rispetto alla malta HVFA.
“Per massimizzare il vantaggio di un rapido indurimento come il geopolimero, dovrebbe essere usato un sistema di erogazione in linea o continuo invece della miscelazione in lotti, dove il materiale può essere miscelato e depositato contemporaneamente. Ciò eliminerà le difficoltà di pompaggio dovute al cambiamento della rigidità del materiale nel tempo “, ha concluso Panda.
“Nonostante i recenti approcci per aumentare la duttilità del calcestruzzo stampato usando microfibra, cavo metallico, tondini post-tensionamento, la futura applicazione potrebbe produrre una diversa distribuzione delle fibre in diversi strati, seguendo il principio dei materiali a classificazione funzionale (MGF). La stampa 3D di MGF ottimizzerebbe l’utilizzo del materiale e fornirebbe funzionalità multifunzionali per applicazioni strutturali nella costruzione di edifici. “
Il settore delle costruzioni è stato colpito in molti modi positivi con l’avvento della stampa 3D nel mainstream, dalla costruzione di uffici e case allo sviluppo di stampanti per calcestruzzo su larga scala.
