Design, test, refine : proposing standarized methods to assess very early-stage mechanical properties of printable concrete

The emergence of 3D concrete printing technology presents a promising solution to address the challenges in the construction industry by improving efficiency, reducing waste, and enabling complex designs. However, the lack of standardisation and comparability of results from different printing techniques impedes the development of this technology. Therefore, this research aims to design and validate testing setups for assessing the very early-stage mechanical properties of printable concrete, with a focus on tensile and shear strength, to propose standard testing methods and contribute to the standardisation of 3D concrete printing technology. In this study, the designed shear and tensile testing methods were used to analyse the transition from fluid to solid states in sulfoaluminate cement-based concrete used for 3D printing. The investigation involved exploring the impact of different quantities of retarder admixture dosage and time on the fluid-to-solid transition. The results of this study show that the effect of retarder on concrete's early fracture performance is minimal at 45 minutes but becomes increasingly apparent over time. The shear testing results demonstrate a progressive development of stiffness over time for different retarder concentrations, while the tensile testing results indicate that tensile strength tends to be more evident later than the shear strength. The Vicat tests support these findings, providing a deeper understanding of the relationship between the strength development over time and the setting time. Overall, this research provides a robust foundation upon which material engineers and 3D concrete printing enterprises can refine their mixing and production processes. By acquiring a comprehensive understanding of the fluid-to-solid transition in extrudable sulfoaluminate cement mixes, with particular emphasis on the influence of retarder concentration and time, it is possible to tailor the mix to specific circumstances and minimise the need for wasteful iterative testing, thereby increasing the likelihood of successful printing and achieving the required qualities for particular purposes.

L'emergere della tecnologia di stampa del calcestruzzo 3D rappresenta una soluzione promettente per affrontare le sfide dell'industria delle costruzioni, migliorando l'efficienza, riducendo gli sprechi e consentendo la realizzazione di design complessi. Tuttavia, la mancanza di standardizzazione e comparabilità dei risultati ottenuti con le diverse tecniche di stampa impedisce lo sviluppo di questa tecnologia. Pertanto, questa ricerca mira a progettare e validare dispositivi di test per valutare le proprietà meccaniche dei calcestruzzi stampabili in una fase molto precoce, con particolare attenzione alla resistenza a trazione e taglio, al fine di proporre metodi di prova standard e contribuire alla standardizzazione della tecnologia di stampa del calcestruzzo 3D. In questo studio, i metodi di prova di taglio e trazione progettati sono stati utilizzati per analizzare la transizione dallo stato fluido allo stato solido nel calcestruzzo a base di cemento sulfoalluminato utilizzato per la stampa 3D. L'indagine ha esplorato l'impatto di diverse quantità di ritardante e del tempo sulla transizione da fluido a solido. I risultati di questo studio mostrano che l'effetto del ritardante sulle prestazioni di frattura del calcestruzzo è minimo a 45 minuti ma diventa sempre più evidente nel tempo. I risultati dei test di taglio dimostrano un progressivo sviluppo della rigidità nel tempo per diverse concentrazioni di ritardante, mentre i risultati dei test di trazione indicano che la resistenza a trazione tende ad essere più evidente in un momento successivo rispetto alla resistenza al taglio. I test di Vicat supportano questi risultati, fornendo una comprensione più approfondita della relazione tra lo sviluppo della resistenza nel tempo e il tempo di presa. Complessivamente, questa ricerca fornisce una solida base su cui gli ingegneri dei materiali e le imprese di stampa del calcestruzzo 3D possono perfezionare i loro processi di miscelazione e produzione. Acquisendo una comprensione completa della transizione da fluido a solido nelle miscele di cemento sulfoalluminato estrudibili, con particolare attenzione all'influenza della concentrazione di ritardante e del tempo, è possibile adattare la miscela a circostanze specifiche e minimizzare la necessità di test iterativi dispendiosi, aumentando così la probabilità di stampa di successo e di ottenere le qualità richieste per scopi specifici.