Extrusion and rheological characterization of cement-based materials containing different types of clays

Abstract

Recently, digital manufacturing has been termed the fourth industrial revolution (Industry 4.0). Implementation of digital manufacturing revolutionizes the construction industry with the potential of freeform architecture, less raw material consumption, reduced construction costs, and increased worker safety. Thus, for the last decade methods on digital manufacturing of concrete gained a significant interest compared to conventional concrete. While the studies mainly focus on the development of specially designed 3-D printers, at this current technology readiness lever the main challenge is to design the highly thixotropic material and the software enabling heterogenous material flow. In terms of material design, the printable mortars must be extrudable through a nozzle without clogging and retain its shape right after the printing and when another layer is deposited, in short, it must be buildable. To be able to provide layer deposition on top of each other, the consistency of mortar should increase fast upon extrusion. The thixotropic nature of cement paste enables this rapid viscosity change. Time dependent viscosity and shear stress of the material limits the extrusion rate and the height of the construction, fast extrusion rates reduce the buildability, whereas slow extrusion rates create cold joints between the layers and decreases the interlayer bond strength, resulting the overall strength to decrease. These properties could be adjusted by using appropriate materials with appropriate mix design. This study aims to investigate the influence of 2 different clays, nano-montmorillonite and sepiolite, on rheological properties of fly-ash (FA) amended cement-based systems adapted for 3D printing. Herein, the clays were incorporated at 0.5 and 1% of the cement content. The effects of these clays on rheological properties such as static and dynamic yield stress, apparent viscosity and thixotropy were analysed. The performance of clays was compared to a commercially available viscosity modifying agents (VMA). Finally, selected mixes were printed through extrusion. The results showed that both clays were compatible with polycarboxylate ether based (PCE) superplasticizer and FA. In fact, the impact of clays on rheological properties were much more pronounced in samples containing 20% FA by weight of cement at a dosage of 0.5% of the cement weight.

Dördüncü endüstri devrimi (Endüstri 4.0) ile dijital üretim önem kazandı. Dijital üretimin uygulanması mimaride tasarım esnekliği, daha az hammadde kullanımı, inşaat harcamalarında azalma ve işçi güvenliğinde artış nedenleriyle devrim yarattı. Bundan dolayı son on yılda betonun dijital üretimi geleneksel betona göre daha çok ilgi görmeye başladı. Çalışmalar daha çok 3 boyutlu (3B) yazıcılara odaklanırken mevcut teknoloji yüksek tiksotropiye ve heterojen malzemelerin akmasını sağlayan yazılımlara yönelmiştir. Malzeme tasarımı konusunda basılabilir harçların nozülden tıkanmadan çıkabilmesi ve basıldıktan hemen sonra ve üzerine başka bir katman geldiğinde kendi şeklini koruyabilmesi, yani inşa edilebilir olması gerekmektedir. Katların birbirleri üzerine basılabilmesi için harcın kıvamının hızlı bir şekilde artması gerekmektedir. Çimento pastasının tiksotropik doğası bu hızlı viskozite değişimine olanak sağlamaktadır. Malzemelerin zamana bağlı viskozite ve kayma gerilmesi ekstrüzyon hızını ve inşa yüksekliğini kısıtlıyor; hızlı ekstrüzyon oranı inşa edilebilirliği düşürürken yavaş ekstrüzyon oranı katmanlar arası soğuk bağlantılara ve katmanlar arası bağ gücünün düşmesine, dolayısıyla da genel olarak mukavemetin azalmasına yol açıyor. Bu özellikler uygun malzemelerin uygun bir karışım tasarımı ile ayarlanabilmektedir. Bu çalışmanın amacı 3B basım için bir kısmı uçucu kül ile değiştirilmiş çimento esaslı malzemelerde 2 farklı kilin, nanomontmorillonit ve sepiyolit, reolojik özelliklerine olan etilerini araştırmaktır. Killer %0,5 ve %1 oranlarında çimento ile değiştirilmiştir. Killerin reolojik özelliklerine, yani statik ve dinamik akma gerilmelerine, anlık viskozitelerine ve tiksotropilerine olan etkileri analiz edilmiştir. Killerin performansı piyasada satılan viskozite düzenleyici katkı (VDK) ile kıyaslanmıştır. Son olarak seçilem karışımlar ekstrüzyon ile basılmıştır. Sonuçlar her iki kilin de polikarboksilat eter bazlı süperakışkanlaştırıcı ve uçucu kül ile birlikte çalışabildiğini göstermiştir. Killerin reolojik özellikler üzerindeki etkisi çimento ağılığının %0,5’i kil, %20’si uçucu kül olan numunelerde daha bariz etkileri olduğu görülmüştür.