With the rapid development of concrete 3D printing for construction projects, it is crucial to produce sustainable 3D-printed cementitious composites that meet the required fresh and hardened properties. This study investigates the application of cellulose-based nanomaterials (CN) (i.e., abundant natural polymers) that can improve the mechanical properties of cement-based materials – in 3D-printed cementitious composites of ordinary portland cement (OPC) and alkali-activated materials (AAMs). A combination of low calcium fly ash and ground granulated blast-furnace slag was used as the precursor in AAM systems. This work examines the 3D-printed mixtures with varying binders and mixture proportions and with different dosages of cellulose-based nanomaterial known as cellulose nanocrystals (CNC) to optimize the formulation for the production of sustainable high-performance 3D-printed elements. A suite of experimental techniques was applied to study the impact of CNC on the fresh and hardened properties of the 3D-printed samples. The buildability of the alkali-activated mixtures was improved by increasing the CNC content, suggesting that the CNC performs as a viscosity-modifying agent in AAMs. The inclusion of CNCs up to 1.00% (by volume of the binder) improves the overall mechanical performance and reduces the porosity of 3D-printed OPC and heat-cured AAM samples. Further, the addition of CNC (up to 0.30%) in sealed-cured AAM samples improves their flexural strength due to the crack-bridging mechanism of CNCs. The addition of CNC densifies the microstructure of OPC samples by increasing the degree of hydration, however, no significant impact on the microstructure of AAMs is noticed. The OPC sample with CNC has approximately 25% increase in the degree of hydration at inner depths which can be attributed to the internal curing potential of CNC materials. The initial water absorption rate of heat-cured AAM samples is lower than the sealed-cured AAM samples and comparable to the OPC system. The developed printable “alkali-activated-CNC” composites can provide an overall reduction in the environmental impacts of the 3D-printed cementitious composites by eliminating/reducing the need for different chemical admixtures to improve 3D-printed material consistency and stability, and replacing 100% of portland cement with fly ash and slag. / Civil Engineering

In this study, the mechanical properties of a fiber-reinforced cementitious composite (FRCC) were derived for specimens fabricated using two different methods of casting: conventional cast construction and pump-driven extrusion. Through the extrusion process, fibers are more likely to be oriented along the length of the member being cast and will therefore be more efficient since they are aligned parallel to the tensile stresses produced in flexure testing. The FRCC employed 0.5% and 1% polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforcement by volume. The flexural properties of FRCC were determined using four-point bend tests according to a modified ASTM C1609. Calculations included the modulus of rupture (MOR) and flexural toughness based on load-deflection curves. The fracture properties of FRCC were determined by using three-point bend tests on the same design but having notched beams using the two-parameter fracture model (TPFM). Calculations included the Mode I critical stress intensity factor (KIC), the critical crack tip opening displacement (CTODc), the strain energy release rate (GIC), and the total fracture energy (GF). The results show that enhanced ductility and post-peak behavior are achieved in concrete to which fibers have been added, as has been demonstrated in other studies, although this study further demonstrated how preferential fiber alignment produced via an extrusion can enhance fracture and flexural properties of cementitious composites. / Master of Science / Fiber-reinforced cementitious composite (FRCC) is a type of cementitious composite that contains fibers that are added to the mixture to improve its strength, durability, and ductility. One of the key factors of FRCC that affects its mechanical properties is the fiber alignment. Extrusion can be used as a method to preferentially align the fibers in order to maximize the benefit of fibers. Extruded FRCC can be pumped through a nozzle, making fiber alignment a convenient option for construction projects where traditional concrete placement methods would be difficult. One of the main benefits of aligning fibers in pump-extruded FRCC is that it can improve cementitious composites' fracture and flexural toughness. Fracture toughness refers to the ability of a material to resist crack propagation, while flexural toughness refers to its ability to withstand bending. By adding fibers to the mixture, the fibers act as reinforcement and help to distribute stress more evenly throughout the material, leading to increased strength and ductility. Furthermore, the alignment of fibers within the mixture also plays a critical role in the fracture and flexural strength of the material. Research has shown that when fibers are aligned in a specific direction, they can improve the tensile strength of the concrete and decrease the likelihood of crack propagation. This can be especially useful in structures that are exposed to seismic activity or long-lasting heavy loads. Overall, the use of pump extrusion-based method as a fiber alignment for FRCC can significantly improve the fracture and flexural strength of concrete. This makes it an attractive option for construction projects that require strong and durable members.

Durch den Einsatz des 3D-Drucks mit Beton kann die Produktivität auf der Baustelle enorm gesteigert, der gesamte Bauablauf optimiert und zugleich geometrische Freiheit ohne zusätzliche Kosten realisiert werden. Jedoch bevor der Beton-3D-Druck eine breite Anwendung finden kann, müssen einige Fragen in Bezug auf die Dauerhaftigkeit sowie die Gebrauchsfähigkeit gedruckter Betonelemente erforscht werden. Im vorliegenden Aufsatz wird die Problematik der Verformungen und Rissbildung bei gedruckten Betonelementen infolge des plastischen Schwindens beleuchtet. Außerdem werden geeignete Messverfahren für die Quantifizierung von gehindertem sowie ungehindertem plastischem Schwinden von gedrucktem Beton vorgestellt.

Mit der neuartigen Bauweise der additiven Fertigung wurden verschiedene Strukturen aus Carbonbeton hergestellt. Die in diesem Beitrag thematisierte Besonderheit ist die Verwendung von Carbonbewehrung mit mineralischer Tränkung, die es ermöglicht, den Verbund zur Betonmatrix zu verbessern und das volle Potential der digitalen Fertigung im Hinblick auf die geometrische Freiheit auszuschöpfen. Nach der Vorstellung des verwendeten 3D-Druckverfahrens und der Tränkung der Bewehrung wird auf die unterschiedlichen Möglichkeiten der Bewehrungsintegration eingegangen. Im Anschluss werden die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen an den mittels der bevorzugten Herstellungsweise gefertigten Prüfkörpern unter Einbeziehen von CT-Aufnahmen diskutiert. Die entwickelte Technologie hat das Potential, den Bauprozess effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

Angetrieben von vielversprechenden Effizienzsteigerungen wird der Beton-3D-Druck stetig weiterentwickelt. Um die gewonnenen Erkenntnisse niederschwellig in die Baupraxis zu überführen, empfehlen sich druckbare Betone im Rahmen des geltenden Regelwerks. Dabei stellt die Limitierung des Mehlkorngehalts eine Herausforderung dar. Um diese zu meistern, wird eine verallgemeinerbare, numerisch unterstützte Anwendung der Korngrößenverteilung nach Andreasen und Andersen als Basis für den Betonentwurf vorgeschlagen. Experimentelle Untersuchungen haben eine gute Verbaubarkeit und hinreichende Extrudierbarkeit eines Betons mit einem 16 mm Größtkorn und einem Mehlkorngehalt von 500 kg/m³ demonstriert.

In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen indirekten Testmethoden zur Bewertung der Verbaubarkeit von 3D-gedruckten Mörteln und Betonen vorgestellt. Die Untersuchungen erfolgten an extrudierten Proben von acht zementbasierten Mischungen mit unterschiedlichem rheologischen Verhalten. Auf der Basis der erzielten Ergebnisse werden Vorhersagen zum Material- bzw. Stabilitätsversagen getroffen und mit den Ergebnissen des Direktdruckversuchs verglichen. Anschließend werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Prüfmethoden diskutiert. Zu diesen zählen die Techniken der Rotationsrheometrie mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit (engl.: constant rotational velocity, CRV), ein schneller Penetrationstest sowie einaxiale Druckversuche mit und ohne Querdehnungsbehinderung.