Development and characterisation of cement-based materials for extrusion-based 3D-printing

3D-Druck durch computergesteuerte selektive Betonablage ist der am häufigsten verwendete Ansatz im Kontext der additiven, digitalen Fertigung im Betonbau. Dieses schalungsfreie digitale Verfahren ermöglicht ein schnelles, wirtschaftliches Bauen und bietet einen großen architektonischen Gestaltungsspielraum. Um die Möglichkeiten der 3D-Druck-Technologie im Betonbau zu entfalten, müssen die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von Beton exakt charakterisiert werden und so eingestellt, dass sie mit aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen an das Material übereinstimmen. Des Weiteren ist die inhärente Anisotropie der 3D-gedruckten Elemente aufgrund der schichtweisen Herstellung und Bildung von Arbeitsfugen zu beachten. Um die aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen zu erfüllen und Schwachstellen zu vermeiden, sollten die druckbare Betone bestimmte, genau kontrollierbare rheologische Eigenschaften wie statische Fließgrenze und ihre zeitliche Entwicklung (aufgrund von strukturellen Aufbau- und Hydratationsreaktionen) aufweisen. Die komplexenund teilweise widersprüchlichen Materialanforderungen erfordern umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dies ist eine große Herausforderung, da es keine Standardtestmethoden zur Materialcharakterisierung von druckbarem Beton gibt. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Erarbeitung einer praxistauglichen Vorgehensweise zur Festlegung, Einstellung und Prüfung der erforderlichen Materialeigenschaften von frischem und erhärtendem Beton. Folgende wesentliche Anforderungen an druckbare Betone wurden untersucht: die Pumpbarkeit, die Extrudierbarkeit, die Verbaubarkeit sowie die Leistungsfähigkeit der Verbunds zwischen den Schichten. Im Ergebnis der Arbeiten wurden Methoden zur a) dehnungsbasierten Messung des Strukturaufbaus, b) rechnerischen Abschätzung von Pumpendruck, c) Inline-Charakterisierung der Extrudierbarkeit, d) praxisorientierten Ermittlung der Verbaubarkeit und e) mikro- und makroskopischen Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften der Schichten entwickelt. In den experimentellen Untersuchungen wurden u.a. ein Beton-3D-Drucker mit einer Exzenterschneckenpumpe, ein Couette-Rheometer mit zylindrischer Messgeometrie, ein RAM Extruder und ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt, um die entwickelten druckbaren, feinkörnigen, hochfesten Betone systematisch zu charakterisieren. Die Analysen der umfangreichen experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Strukturaufbaudes frischen Zementleims mit dem Ansatz der konstanten effektiven Dehnung ermittelt werdenkann, diese hinreichend groß sein muss, um den statische Fließgrenze zu erreichen (Strukturbruch). Die Simulationsergebnisse aus dem entwickelten CFD-Modell (computational fluid dynamics) für Virtual SLIPER (slidingpiperheometer) korrelierten mit experimentellen Messungen. Im CFD-Modell wurde eine Gleitschicht zwischen Wandung und Kernbeton implementiert und deren Viskosität mit dem Krieger-Dougherty-Modell berechnet. Die Gültigkeit der vorgeschlagenen Inline-Charakterisierung der Extrusion wurde durch den Vergleich der Ergebnisse von RAM-Extrusion- und Viskometerprüfungen nachgewiesen. Die spezifische Extrusionsenergie, d.h. der Energieverbrauch pro extrudierte Einheitsvolumen, stieg mit zunehmender Fließgrenze und plastischer Viskosität des Betons. Die Parameter zur Beschreibung der Verbaubarkeit wurden mit einem praxisorientierten Ansatz identifiziert. Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt Maschinen-, Arbeits-, Materialkosten sowie die Art des 3D-Drucks. Die Eigenschaften des Verbunds zwischen den Schichten hängen stark vom Zeitintervall zwischen der Ablage der Schichten, der Bindemittelzusammensetzung und der Porosität/Rauheit des Substrats ab. Eine ungünstige Parameterwahl kann zu fatalen Folgen führen. Der teilweise Ersatz von Portlandzement durch puzzolanische Zusatzstoffe führte zu einem schnelleren Strukturaufbau, eines verbesserten Zwischenschichtverbundes und günstigen mechanischen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit entwickelte Werkzeuge zur Materialcharakterisierung und die damit ermittelten Ergebnisse schaffen eine Grundlage für eine genaue und zuverlässige Materialcharakterisierung zementgebundener Materialien für den Einsatz beim 3D-Druck durch selektive Ablage.Extrusion-based 3D-printing — also referred to as digital construction (DC) — involves automated layer-by-layer deposition of 3D-printable cement-based materials (3PCs). DC enables speedy, economic and formwork-free construction in addition to quasi-unlimited architectural design flexibility. To ensure these advancements with DC, the rheological and mechanical properties of 3PCs need to be accurately measured and optimised according to the technological requirements. Inherently, the 3D-printed elements can reveal weak layer-to-layer interfaces, which form the weakest links in the entire structure and imply pronounced anisotropy. To fulfil the process requirements and to prevent weak bonds, the 3PCs should exhibit particular, precisely controllable rheological properties, such as static yield stress and its development in time due to structural build-up. The complex and partly contradictory material requirements of 3PCs necessitates comprehensive experimental investigations. This is a great challenge since there are no standard test methods for the material characterisation of 3PCs. In this research, while following an overarching aim of developing high-performance 3PCs for on-site DC, the author focused on material characterisation. The primary requirements to 3PCs — pumpability, extrudability, buildability and layer-to-layer bond — are investigated. The deliverables are methods for a) strain-based measurement of structural build-up, b) computationally estimating pumping pressures, c) inline extrudability characterisation, d) practice-oriented determination of buildability test parameters and e) micro- and macroscopic insights on layer-to-layer interface properties. A 3D-printing test device with a progressive cavity pump, a concentric cylinder Couette rheometer, ram extruder and scanning electron microscope were the major devices applied to systematically characterise the printability of developed fine-grained high-strength 3PCs. The extensive analyses of the experimental results revealed that structural build-up can be characterised with constant effective strain approach. To do so, this effective strain must be high enough to ensure flow-onset. Simulation results obtained using the developed CFD (computation fluid dynamics) model called virtual Sliper (sliding pipe rheometer) correlated with experimental measurements. Lubricating layer was implemented into the CFD model and its viscosity could be calculated using Krieger-Dougherty model. Comparative analyses of ram-extrusion and viscometer tests substantiated the significance of the proposed inline extrudability quantification method for 3PCs. The unit extrusion energy, i.e. energy consumed per extruded unit volume of 3PC, increased with increasing yield stress and plastic viscosity of 3PCs. Buildability tests’ parameters were identified with a practice-oriented approach. The proposed model takes machine, labour, material costs and DC approach type into consideration. Layer-to-layer interface properties were shown to be highly sensitive to time interval between subsequent layers, binder composition, and substrate porosity/roughness. An improper choice of parameters can lead to fatal consequences. Furthermore, it was demonstrated that partial replacement of Portland cement with supplementary cementitious materials causes high structuration rate (structural build-up), superior interface properties and satisfactory mechanical performance. Developed test methods and the obtained results establish a basis for accurate and reliable material characterisation of cementitious materials in the context of extrusion-based digital construction

Development and characterisation of cement-based materials for extrusion-based 3D-printing

3D-Druck durch computergesteuerte selektive Betonablage ist der am häufigsten verwendete Ansatz im Kontext der additiven, digitalen Fertigung im Betonbau. Dieses schalungsfreie digitale Verfahren ermöglicht ein schnelles, wirtschaftliches Bauen und bietet einen großen architektonischen Gestaltungsspielraum. Um die Möglichkeiten der 3D-Druck-Technologie im Betonbau zu entfalten, müssen die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von Beton exakt charakterisiert werden und so eingestellt, dass sie mit aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen an das Material übereinstimmen. Des Weiteren ist die inhärente Anisotropie der 3D-gedruckten Elemente aufgrund der schichtweisen Herstellung und Bildung von Arbeitsfugen zu beachten. Um die aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen zu erfüllen und Schwachstellen zu vermeiden, sollten die druckbare Betone bestimmte, genau kontrollierbare rheologische Eigenschaften wie statische Fließgrenze und ihre zeitliche Entwicklung (aufgrund von strukturellen Aufbau- und Hydratationsreaktionen) aufweisen. Die komplexenund teilweise widersprüchlichen Materialanforderungen erfordern umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dies ist eine große Herausforderung, da es keine Standardtestmethoden zur Materialcharakterisierung von druckbarem Beton gibt. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Erarbeitung einer praxistauglichen Vorgehensweise zur Festlegung, Einstellung und Prüfung der erforderlichen Materialeigenschaften von frischem und erhärtendem Beton. Folgende wesentliche Anforderungen an druckbare Betone wurden untersucht: die Pumpbarkeit, die Extrudierbarkeit, die Verbaubarkeit sowie die Leistungsfähigkeit der Verbunds zwischen den Schichten. Im Ergebnis der Arbeiten wurden Methoden zur a) dehnungsbasierten Messung des Strukturaufbaus, b) rechnerischen Abschätzung von Pumpendruck, c) Inline-Charakterisierung der Extrudierbarkeit, d) praxisorientierten Ermittlung der Verbaubarkeit und e) mikro- und makroskopischen Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften der Schichten entwickelt. In den experimentellen Untersuchungen wurden u.a. ein Beton-3D-Drucker mit einer Exzenterschneckenpumpe, ein Couette-Rheometer mit zylindrischer Messgeometrie, ein RAM Extruder und ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt, um die entwickelten druckbaren, feinkörnigen, hochfesten Betone systematisch zu charakterisieren. Die Analysen der umfangreichen experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Strukturaufbaudes frischen Zementleims mit dem Ansatz der konstanten effektiven Dehnung ermittelt werdenkann, diese hinreichend groß sein muss, um den statische Fließgrenze zu erreichen (Strukturbruch). Die Simulationsergebnisse aus dem entwickelten CFD-Modell (computational fluid dynamics) für Virtual SLIPER (slidingpiperheometer) korrelierten mit experimentellen Messungen. Im CFD-Modell wurde eine Gleitschicht zwischen Wandung und Kernbeton implementiert und deren Viskosität mit dem Krieger-Dougherty-Modell berechnet. Die Gültigkeit der vorgeschlagenen Inline-Charakterisierung der Extrusion wurde durch den Vergleich der Ergebnisse von RAM-Extrusion- und Viskometerprüfungen nachgewiesen. Die spezifische Extrusionsenergie, d.h. der Energieverbrauch pro extrudierte Einheitsvolumen, stieg mit zunehmender Fließgrenze und plastischer Viskosität des Betons. Die Parameter zur Beschreibung der Verbaubarkeit wurden mit einem praxisorientierten Ansatz identifiziert. Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt Maschinen-, Arbeits-, Materialkosten sowie die Art des 3D-Drucks. Die Eigenschaften des Verbunds zwischen den Schichten hängen stark vom Zeitintervall zwischen der Ablage der Schichten, der Bindemittelzusammensetzung und der Porosität/Rauheit des Substrats ab. Eine ungünstige Parameterwahl kann zu fatalen Folgen führen. Der teilweise Ersatz von Portlandzement durch puzzolanische Zusatzstoffe führte zu einem schnelleren Strukturaufbau, eines verbesserten Zwischenschichtverbundes und günstigen mechanischen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit entwickelte Werkzeuge zur Materialcharakterisierung und die damit ermittelten Ergebnisse schaffen eine Grundlage für eine genaue und zuverlässige Materialcharakterisierung zementgebundener Materialien für den Einsatz beim 3D-Druck durch selektive Ablage.Extrusion-based 3D-printing — also referred to as digital construction (DC) — involves automated layer-by-layer deposition of 3D-printable cement-based materials (3PCs). DC enables speedy, economic and formwork-free construction in addition to quasi-unlimited architectural design flexibility. To ensure these advancements with DC, the rheological and mechanical properties of 3PCs need to be accurately measured and optimised according to the technological requirements. Inherently, the 3D-printed elements can reveal weak layer-to-layer interfaces, which form the weakest links in the entire structure and imply pronounced anisotropy. To fulfil the process requirements and to prevent weak bonds, the 3PCs should exhibit particular, precisely controllable rheological properties, such as static yield stress and its development in time due to structural build-up. The complex and partly contradictory material requirements of 3PCs necessitates comprehensive experimental investigations. This is a great challenge since there are no standard test methods for the material characterisation of 3PCs. In this research, while following an overarching aim of developing high-performance 3PCs for on-site DC, the author focused on material characterisation. The primary requirements to 3PCs — pumpability, extrudability, buildability and layer-to-layer bond — are investigated. The deliverables are methods for a) strain-based measurement of structural build-up, b) computationally estimating pumping pressures, c) inline extrudability characterisation, d) practice-oriented determination of buildability test parameters and e) micro- and macroscopic insights on layer-to-layer interface properties. A 3D-printing test device with a progressive cavity pump, a concentric cylinder Couette rheometer, ram extruder and scanning electron microscope were the major devices applied to systematically characterise the printability of developed fine-grained high-strength 3PCs. The extensive analyses of the experimental results revealed that structural build-up can be characterised with constant effective strain approach. To do so, this effective strain must be high enough to ensure flow-onset. Simulation results obtained using the developed CFD (computation fluid dynamics) model called virtual Sliper (sliding pipe rheometer) correlated with experimental measurements. Lubricating layer was implemented into the CFD model and its viscosity could be calculated using Krieger-Dougherty model. Comparative analyses of ram-extrusion and viscometer tests substantiated the significance of the proposed inline extrudability quantification method for 3PCs. The unit extrusion energy, i.e. energy consumed per extruded unit volume of 3PC, increased with increasing yield stress and plastic viscosity of 3PCs. Buildability tests’ parameters were identified with a practice-oriented approach. The proposed model takes machine, labour, material costs and DC approach type into consideration. Layer-to-layer interface properties were shown to be highly sensitive to time interval between subsequent layers, binder composition, and substrate porosity/roughness. An improper choice of parameters can lead to fatal consequences. Furthermore, it was demonstrated that partial replacement of Portland cement with supplementary cementitious materials causes high structuration rate (structural build-up), superior interface properties and satisfactory mechanical performance. Developed test methods and the obtained results establish a basis for accurate and reliable material characterisation of cementitious materials in the context of extrusion-based digital construction

Development and characterisation of cement-based materials for extrusion-based 3D-printing

3D-Druck durch computergesteuerte selektive Betonablage ist der am häufigsten verwendete Ansatz im Kontext der additiven, digitalen Fertigung im Betonbau. Dieses schalungsfreie digitale Verfahren ermöglicht ein schnelles, wirtschaftliches Bauen und bietet einen großen architektonischen Gestaltungsspielraum. Um die Möglichkeiten der 3D-Druck-Technologie im Betonbau zu entfalten, müssen die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von Beton exakt charakterisiert werden und so eingestellt, dass sie mit aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen an das Material übereinstimmen. Des Weiteren ist die inhärente Anisotropie der 3D-gedruckten Elemente aufgrund der schichtweisen Herstellung und Bildung von Arbeitsfugen zu beachten. Um die aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen zu erfüllen und Schwachstellen zu vermeiden, sollten die druckbare Betone bestimmte, genau kontrollierbare rheologische Eigenschaften wie statische Fließgrenze und ihre zeitliche Entwicklung (aufgrund von strukturellen Aufbau- und Hydratationsreaktionen) aufweisen. Die komplexenund teilweise widersprüchlichen Materialanforderungen erfordern umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dies ist eine große Herausforderung, da es keine Standardtestmethoden zur Materialcharakterisierung von druckbarem Beton gibt. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Erarbeitung einer praxistauglichen Vorgehensweise zur Festlegung, Einstellung und Prüfung der erforderlichen Materialeigenschaften von frischem und erhärtendem Beton. Folgende wesentliche Anforderungen an druckbare Betone wurden untersucht: die Pumpbarkeit, die Extrudierbarkeit, die Verbaubarkeit sowie die Leistungsfähigkeit der Verbunds zwischen den Schichten. Im Ergebnis der Arbeiten wurden Methoden zur a) dehnungsbasierten Messung des Strukturaufbaus, b) rechnerischen Abschätzung von Pumpendruck, c) Inline-Charakterisierung der Extrudierbarkeit, d) praxisorientierten Ermittlung der Verbaubarkeit und e) mikro- und makroskopischen Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften der Schichten entwickelt. In den experimentellen Untersuchungen wurden u.a. ein Beton-3D-Drucker mit einer Exzenterschneckenpumpe, ein Couette-Rheometer mit zylindrischer Messgeometrie, ein RAM Extruder und ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt, um die entwickelten druckbaren, feinkörnigen, hochfesten Betone systematisch zu charakterisieren. Die Analysen der umfangreichen experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Strukturaufbaudes frischen Zementleims mit dem Ansatz der konstanten effektiven Dehnung ermittelt werdenkann, diese hinreichend groß sein muss, um den statische Fließgrenze zu erreichen (Strukturbruch). Die Simulationsergebnisse aus dem entwickelten CFD-Modell (computational fluid dynamics) für Virtual SLIPER (slidingpiperheometer) korrelierten mit experimentellen Messungen. Im CFD-Modell wurde eine Gleitschicht zwischen Wandung und Kernbeton implementiert und deren Viskosität mit dem Krieger-Dougherty-Modell berechnet. Die Gültigkeit der vorgeschlagenen Inline-Charakterisierung der Extrusion wurde durch den Vergleich der Ergebnisse von RAM-Extrusion- und Viskometerprüfungen nachgewiesen. Die spezifische Extrusionsenergie, d.h. der Energieverbrauch pro extrudierte Einheitsvolumen, stieg mit zunehmender Fließgrenze und plastischer Viskosität des Betons. Die Parameter zur Beschreibung der Verbaubarkeit wurden mit einem praxisorientierten Ansatz identifiziert. Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt Maschinen-, Arbeits-, Materialkosten sowie die Art des 3D-Drucks. Die Eigenschaften des Verbunds zwischen den Schichten hängen stark vom Zeitintervall zwischen der Ablage der Schichten, der Bindemittelzusammensetzung und der Porosität/Rauheit des Substrats ab. Eine ungünstige Parameterwahl kann zu fatalen Folgen führen. Der teilweise Ersatz von Portlandzement durch puzzolanische Zusatzstoffe führte zu einem schnelleren Strukturaufbau, eines verbesserten Zwischenschichtverbundes und günstigen mechanischen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit entwickelte Werkzeuge zur Materialcharakterisierung und die damit ermittelten Ergebnisse schaffen eine Grundlage für eine genaue und zuverlässige Materialcharakterisierung zementgebundener Materialien für den Einsatz beim 3D-Druck durch selektive Ablage.Extrusion-based 3D-printing — also referred to as digital construction (DC) — involves automated layer-by-layer deposition of 3D-printable cement-based materials (3PCs). DC enables speedy, economic and formwork-free construction in addition to quasi-unlimited architectural design flexibility. To ensure these advancements with DC, the rheological and mechanical properties of 3PCs need to be accurately measured and optimised according to the technological requirements. Inherently, the 3D-printed elements can reveal weak layer-to-layer interfaces, which form the weakest links in the entire structure and imply pronounced anisotropy. To fulfil the process requirements and to prevent weak bonds, the 3PCs should exhibit particular, precisely controllable rheological properties, such as static yield stress and its development in time due to structural build-up. The complex and partly contradictory material requirements of 3PCs necessitates comprehensive experimental investigations. This is a great challenge since there are no standard test methods for the material characterisation of 3PCs. In this research, while following an overarching aim of developing high-performance 3PCs for on-site DC, the author focused on material characterisation. The primary requirements to 3PCs — pumpability, extrudability, buildability and layer-to-layer bond — are investigated. The deliverables are methods for a) strain-based measurement of structural build-up, b) computationally estimating pumping pressures, c) inline extrudability characterisation, d) practice-oriented determination of buildability test parameters and e) micro- and macroscopic insights on layer-to-layer interface properties. A 3D-printing test device with a progressive cavity pump, a concentric cylinder Couette rheometer, ram extruder and scanning electron microscope were the major devices applied to systematically characterise the printability of developed fine-grained high-strength 3PCs. The extensive analyses of the experimental results revealed that structural build-up can be characterised with constant effective strain approach. To do so, this effective strain must be high enough to ensure flow-onset. Simulation results obtained using the developed CFD (computation fluid dynamics) model called virtual Sliper (sliding pipe rheometer) correlated with experimental measurements. Lubricating layer was implemented into the CFD model and its viscosity could be calculated using Krieger-Dougherty model. Comparative analyses of ram-extrusion and viscometer tests substantiated the significance of the proposed inline extrudability quantification method for 3PCs. The unit extrusion energy, i.e. energy consumed per extruded unit volume of 3PC, increased with increasing yield stress and plastic viscosity of 3PCs. Buildability tests’ parameters were identified with a practice-oriented approach. The proposed model takes machine, labour, material costs and DC approach type into consideration. Layer-to-layer interface properties were shown to be highly sensitive to time interval between subsequent layers, binder composition, and substrate porosity/roughness. An improper choice of parameters can lead to fatal consequences. Furthermore, it was demonstrated that partial replacement of Portland cement with supplementary cementitious materials causes high structuration rate (structural build-up), superior interface properties and satisfactory mechanical performance. Developed test methods and the obtained results establish a basis for accurate and reliable material characterisation of cementitious materials in the context of extrusion-based digital construction

Developing and Testing of Strain-Hardening Cement-Based Composites (SHCC) in the Context of 3D-Printing

Incorporating reinforcement into the practice of digital concrete construction, often called 3D-concrete-printing, is a prerequisite for wide-ranging, structural applications of this new technology. Strain-Hardening Cement-based Composites (SHCC) offer one possible solution to this challenge. In this work, printable SHCC were developed and tested. The composites could be extruded through a nozzle of a 3D-printer so that continuous filaments could be deposited, one upon the other, to build lab-scaled wall specimens without noticeable deformation of the bottom layers. The specimens extracted from the printed walls exhibited multiple fine cracks and pronounced strain-hardening characteristics under uniaxial tensile loading, even for fiber volume fractions as low as 1.0%. In fact, the strain-hardening characteristics of printed specimens were superior to those of mold-cast SHCC specimens

Material Design and Performance Evaluation of Foam Concrete for Digital Fabrication

Three-dimensional (3D) printing with foam concrete, which is known for its distinct physical and mechanical properties, has not yet been purposefully investigated. The article at hand presents a methodological approach for the mixture design of 3D-printable foam concretes and a systematic investigation of the potential application of this type of material in digital construction. Three different foam concrete compositions with water-to-binder ratios between 0.33–0.36 and densities of 1100 to 1580 kg/m3 in the fresh state were produced with a prefoaming technique using a protein-based foaming agent. Based on the fresh-state tests, including 3D printing as such, an optimum composition was identified, and its compressive and flexural strengths were characterized. The printable foam concrete showed low thermal conductivity and relatively high compressive strengths of above 10 MPa; therefore, it fulfilled the requirements for building materials used for load-bearing wall elements in multi-story houses. Thus, it is suitable for 3D-printing applications, while fulfilling both load-carrying and insulating functions

Effect of Polypropylene Fibre Addition on Properties of Geopolymers Made by 3D Printing for Digital Construction

This paper investigates the effect of polypropylene (PP) fibres on the fresh and hardened properties of 3D-printed fibre-reinforced geopolymer mortars. Different percentages of PP fibres ranging between 0.25% and 1.00% by volume were added to an optimised geopolymer mixture. All samples showed reasonable workability and extrudability. In addition, shape-retention ability in the fresh state was investigated as a major requirement for 3D-printing. The compressive strength of the printed specimens was tested in the hardened state in three loading directions, viz. longitudinal, perpendicular, and lateral. The flexural strength of samples was also tested in the longitudinal and lateral directions. In addition, the interlayer bond strength was investigated. Fibre addition seems to influence compressive strengths positively only when the loading is perpendicular to the interface plane. This is due to the preferential fibre alignment parallel to the direction of extrusion. The addition of fibre significantly enhanced the flexural performance of the printed samples. The use of fibre dosages of 0.75 and 1.00 vol % caused deflection-hardening behaviour of the 3D-printed geopolymers and, hence, a significantly higher fracture energy in comparison to specimens without fibre or with lower fibre content. However, an increase in the fibre volume caused some minor reduction in interlayer bond strength. With respect to properties in the fresh state, higher fibre volumes caused better shape-retention ability in the printed samples. The results indicate the possibility of printing fibre-reinforced geopolymers which meet all the necessary properties in both the fresh and hardened states

Vision of 3D printing with concrete : technical, economic and environmental potentials

A vision is presented on 3D printing with concrete, considering technical, economic and environmental aspects. Although several showcases of 3D printed concrete structures are available worldwide, many challenges remain at the technical and processing level. Currently available high-performance cement-based materials cannot be directly 3D printed, because of inadequate rheological and stiffening properties. Active rheology control (ARC) and active stiffening control (ASC) will provide new ways of extending the material palette for 3D printing applications. From an economic point of view, digitally manufactured concrete (DFC) will induce changes in the stakeholders as well as in the cost structure. Although it is currently too ambitious to quantitatively present the cost structure, DFC presents many potential opportunities to increase cost-effectiveness of construction processes. The environmental impact of 3D printing with concrete has to be seen in relation to the shape complexity of the structure. Implementing structural optimization as well as functional hybridization as design strategies allows the use of material only where is structurally or functionally needed. This design optimization increases shape complexity, but also reduces material use in DFC. As a result, it is expected that for structures with the same functionality, DFC will environmentally perform better over the entire service life in comparison with conventionally produced concrete structures

Properties and testing of printed cement-based materials in hardened state

3D printing is offering a totally new construction method, but an in depth understanding of the consequences of the different production conditions compared to traditional formwork-based casting operations is required. Bulk material properties (intrinsic strength and durability) will follow the same fundamental material laws. However, in printed structures, the role of the interfaces will become increasingly important as they affect the mechanical performance, transport properties and durability behavior. Additionally, the anisotropic nature of 3D printed structures implies that there are new opportunities to develop new methods of analysis. The aim of this chapter is to focus on the current practices for performance testing and to give an overview of the parameters which affect the hardened properties of a printed cementitious material

Properties and testing of printed cement-based materials in hardened state

3D printing is offering a totally new construction method, but an in depth understanding of the consequences of the different production conditions compared to traditional formwork-based casting operations is required. Bulk material properties (intrinsic strength and durability) will follow the same fundamental material laws. However, in printed structures, the role of the interfaces will become increasingly important as they affect the mechanical performance, transport properties and durability behavior. Additionally, the anisotropic nature of 3D printed structures implies that there are new opportunities to develop new methods of analysis. The aim of this chapter is to focus on the current practices for performance testing and to give an overview of the parameters which affect the hardened properties of a printed cementitious material