Experimental and numerical study of the flow table test aplied to 3D printable cementitious materials

3D concrete printing (3DCP) is an innovative construction technology that relies on the rheology of fresh concrete, particularly yield stress and plastic viscosity, to ensure extrudability and shape stability. This thesis investigates the flow behaviour of printable cementitious materials through experimental flow table tests and numerical simulations using the Particle Finite Element Method (PFEM). The experimental study involved three different mix designs, where spreading diameters were recorded over 25 drops to analyse flow behaviour. PFEM was implemented to numerically replicate the flow table test, employing a restart-based approach to model the incremental deformation process. A parametric study was conducted to systematically evaluate the effects of yield stress and viscosity on spreading behaviour, confirming that yield stress governs flowability while viscosity controls the rate of deformation. The numerical predictions aligned well with experimental measurements, demonstrating PFEM’s effectiveness in simulating fresh concrete flow. Despite these advancements, further research is needed to extend PFEM to three dimensions, allowing for a more accurate representation of extrusion-induced flow in 3D printing applications. Future studies should also explore thixotropic recovery, interlayer adhesion, and a broader parametric analysis to improve numerical modelling accuracy. This thesis establishes a structured methodology for evaluating printable concrete, supporting the optimization of mix designs and numerical simulations for additive manufacturing.

La stampa 3D del calcestruzzo (3DCP) è una tecnologia innovativa per l’edilizia che dipende dalle proprietà reologiche del calcestruzzo fresco, in particolare dalla tensione di scorrimento e dalla viscosità plastica, per garantire la estrudibilità e la stabilità della forma. Questa tesi studia il comportamento del calcestruzzo stampabile attraverso prove sperimentali con il test del tavolo a scosse e simulazioni numeriche utilizzando il Particle Finite Element Method (PFEM). Lo studio sperimentale ha coinvolto tre diversi mix di calcestruzzo, per i quali sono stati misurati i diametri di spandimento durante 25 impatti consecutivi al fine di analizzarne il comportamento fluido. Il PFEM è stato implementato per riprodurre numericamente il test, adottando un approccio basato sul restart per modellare il processo di deformazione progressiva. È stato condotto uno studio parametrico per valutare sistematicamente gli effetti della tensione di snervamento e della viscosità sulla diffusione del materiale, confermando che la tensione di snervamento governa la lavorabilità, mentre la viscosità controlla la velocità di deformazione. Le previsioni numeriche hanno mostrato una buona corrispondenza con le misurazioni sperimentali, dimostrando l'efficacia del PFEM nella simulazione del comportamento del calcestruzzo fresco. Nonostante questi progressi, sono necessarie ulteriori ricerche per estendere PFEM alla modellazione tridimensionale, per rappresentare con maggiore precisione il comportamento del flusso durante l’estrusione nei processi di stampa 3D. Studi futuri dovrebbero inoltre approfondire il recupero tissotropico, l’adesione tra gli strati e un’analisi parametrica più ampia, per migliorare la precisione della modellazione numerica. Questa tesi propone una metodologia strutturata per la valutazione del calcestruzzo stampabile, supportando l'ottimizzazione delle miscele e delle simulazioni numeriche per le applicazioni di manifattura additiva.