Implementation of microwave curing system to adapt metakaolin based geopolymer binders for 3d-printing

Abstract

Three-dimensional (3D) printing techniques of the construction materials such as contour crafting and additive manufacturing are being developed in the construction sector and replace the conventional building techniques used for generations. To achieve successful printing in large scale, it is necessary to develop advanced printing systems and compatible software. Another main challenge in 3D printing is to design a suitable material feasible with the requirements of the 3D printing in terms of its extrudability and buildability. It is also known that extrudability and buildability are also contradicting factors, as high workability causes more extrudability while the low workability provides more buildability. Therefore, the designed material should exhibit high level of workability as it is required to be extruded through the printer nozzle and sustain its shape without major deformation while subsequent layers are printed on top of each other. To obtain such structural reliability and applicability, fresh and hardened properties of the material such as tensile and compressive strength, static and dynamic yield stress obtained by rheological experiments, thixotropic behavior, flowability etc. should be evaluated. The goal of this study was to adapt metakaolin-based geopolymer mortar to 3D printing through a novel microwave curing approach. To achieve this goal, 3 types of precursor materials and 2 types of different curing regimes which are microwave and oven curing were utilized to enhance the materials' characteristic properties by triggering the rapid strengthening and buildability. The experimental design was established for samples with 3 different molar ratios (MR; 1.3,1.5 and 1.7) containing metakaolin, fly ash and silica fume. Samples were subjected to 3 different curing regimes: oven curing, microwave curing and hybrid curing (combination of optimized microwave and oven curing). Results showed that replacing a portion of applied oven curing with microwave curing in hybrid approach can increase operation speed and increase the rate of hardening. While the use of microwave curing in the geopolymer binders did not affect the alkali leaching, it increased the drying shrinkage in the material. Moreover, it was found that the samples can be hardened in 120 minutes once they are subjected to microwave curing while it was 60 minutes for hybrid curing. The use of microwave curing increased the green strength and dimensional stability without sacrificing from workability of the sample. Implementation of microwave curing improved the printability of metakaolin based geopolymers by affecting the buildability of the material. The outcomes of this study will pave a better design of set-on-demand geopolymer binders for advanced applications such as 3D printing by reducing the total duration of heat curing.İnşaat sektöründe "contour crafting" ve eklemeli üretim gibi yapı malzemelerini üç boyutlu (3D) yazdırma teknikleri geliştirilmekte ve nesiller boyu kullanılan geleneksel inşaat tekniklerinin yerini almaktadır. Büyük ölçekte başarılı prototip elde etmek için gelişmiş baskı sistemleri ve uyumlu yazılımlar geliştirmek gerekir. 3D baskıdaki bir diğer temel zorluk, 3D baskının ekstrüde edilebilirliği ve inşa edilebilirliği açısından gereksinimlerine uygun bir malzeme tasarlamaktır. Öte yandan, yüksek işlenebilirlik daha fazla ekstrüde edilebilirliğe neden olurken, düşük işlenebilirlik daha fazla inşa edilebilirlik sağladığından, ekstrüde edilebilirlik ve inşa edilebilirliğin de çelişen faktörler olduğu iyi bilinmektedir. Bu nedenle, tasarlanan malzemenin, yazıcı püskürtme ucundan ekstrüde edilmesi ve sonraki katmanların üst üste yazdırılırken büyük bir deformasyon olmadan şeklini koruması gerektiğinden yüksek düzeyde işlenebilirlik sergilemesi gerekir. Bu tür yapısal güvenilirlik ve uygulanabilirlik elde etmek için malzemenin çekme ve basınç dayanımı, reolojik deneylerle elde edilebilecek statik ve dinamik akma gerilmesi, tiksotropik davranış, akışkanlık vb. gibi taze ve sertleştirilmiş özellikleri değerlendirilmelidir. Bu çalışmanın amacı, metakaolin bazlı jeopolimer harcı yeni bir mikrodalga kürleme yaklaşımıyla 3D baskıya uyarlamaktı. Bu amaca ulaşmak için hızlı güçlendirme ve inşa edilebilirliği tetikleyerek malzemelerin karakteristik özelliklerini geliştirmek için 3 tip öncül malzeme ve 2 tip farklı kürleme rejimi; mikrodalga ve fırında kürleme yöntemleri kullanılmıştır. Deneysel tasarım; metakaolin, uçucu kül ve silika dumanı içeren 3 farklı molar oranına (MR; 1.3,1.5 ve 1.7) sahip numuneler için oluşturulmuştur. Numuneler 3 farklı kür rejimine tabi tutulmuştur: fırın kürü, mikrodalga kürü ve hibrit kür (optimize edilmiş mikrodalga ve fırın kürü kombinasyonu). Sonuçlar, uygulanan fırın kürlemesinin bir kısmının hibrit yaklaşımda mikrodalga kürleme ile değiştirilmesinin çalışma hızını ve sertleşme oranını artırabileceğini göstermiştir. Jeopolimer bağlayıcılarda mikrodalga kürleme kullanımı alkali özütlemeyi etkilemezken, malzemede kuruma rötresini arttırmıştır. Ayrıca, numunelerin mikrodalga küre tabi tutulduktan sonra 120 dakikada, hibrit kür için ise 60 dakikada sertleşebildiği tespit edilmiştir. Mikrodalga kürleme kullanımı, numunenin işlenebilirliğinden ödün vermeden yeşil dayanımı ve boyutsal stabiliteyi artırmıştır. Mikrodalga kürleme uygulaması, malzemenin inşa edilebilirliğini etkileyerek metakaolin bazlı jeopolimerlerin basılabilirliğini geliştirmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, ısıl kürün toplam süresini azaltarak 3D baskı gibi ileri uygulamalar için isteğe bağlı jeopolimer bağlayıcıların daha iyi bir tasarımını sağlayacaktır.