Development of multifunctional cementitious composites for 3D concrete printing

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Main Author: Zadeh, Behzad Zahabi
Publication Date: 2025
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/94871
Summary: Programa doutoral em Civil Engineering
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spelling Development of multifunctional cementitious composites for 3D concrete printingAuto-regeraçãoComportamento fotocatalíticoCompósitos multifuncionaisDurabilidadeImpressão 3D através de extrusãoDurabilityMultifunctional cementitious compositesPhotocatalytic behaviourSelf-healing efficiencyWet extrusion 3D concrete printingEngenharia e Tecnologia::Engenharia CivilPrograma doutoral em Civil EngineeringA manufatura aditiva (AM), com foco na impressão 3D de concreto (3DCP), está revolucionando a indústria da construção. Ao contrário dos métodos tradicionais de fundição ou construção de elementos pré-fabricados, o 3DCP utiliza um processo baseado em camadas para criar geometrias complexas de forma livre. Isto permite elementos estruturais otimizados, redução de desperdícios e minimização da necessidade de cofragem, conduzindo potencialmente a poupanças significativas de materiais. Este programa de pesquisa de doutorado investiga compósitos cimentícios avançados especificamente adaptados para aplicações 3DCP. O foco inicial está no desenvolvimento de composições cimentícias confiáveis e imprimíveis. Isso envolve a otimização de misturas simples e reforçadas com fibra para as propriedades reológicas necessárias, como trabalhabilidade, capacidade de impressão, capacidade de construção e tempo aberto para garantir uma deposição suave em camadas durante a impressão. Uma vez estabelecidas, estas formulações passam por uma caracterização abrangente do seu comportamento mecânico e físico. Será dada especial ênfase à avaliação do comportamento anisotrópico/ortotrópico, onde as propriedades do material variam dependendo da direção do carregamento em relação à orientação das camadas impressas. Além disso, a pesquisa irá comparar as propriedades das amostras impressas em 3D com as moldadas convencionalmente para compreender o impacto do processo de impressão no comportamento do material. Reconhecendo as interfaces entre as camadas impressas como potenciais zonas fracas, a pesquisa investigará várias técnicas de tratamento e fortalecimento de superfície, como revestimento de areia, jato de areia e malhas de reforço para melhorar a ligação interfacial das camadas, crucial para a integridade estrutural dos elementos impressos em 3D. Além das propriedades mecânicas básicas, a pesquisa irá explorar a integração de funcionalidades avançadas nos compósitos desenvolvidos por meio de fotocatálise e autocura. A fotocatálise que potencialmente leva a superfícies autolimpantes explorará a incorporação de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) por meio de métodos de revestimento de superfície. A pesquisa explorará as propriedades de autocura dos compósitos reforçados com fibra, com foco na recuperação mecânica e na autovedação. Finalmente, a pesquisa investigará o desempenho de durabilidade a curto prazo dos compósitos desenvolvidos sob condições ambientais adversas, como ciclos de congelamento e descongelamento e ambientes de carbonatação.Additive manufacturing (AM), with a focus on 3D concrete printing (3DCP), is revolutionizing the construction industry. Unlike traditional casting or prefabricated element construction methods, 3DCP uses a layer-wised process to create complex geometries free-form. This allows for optimized structural elements, reduced waste, and minimized need for formwork, potentially leading to significant material savings. This PhD research program investigates advanced cementitious composites specifically tailored for 3DCP applications. The initial focus is on developing reliable and printable cementitious compositions. This involves optimizing both plain and fibre reinforced mixtures for required rheological properties such as workability, printability, buildability, and open time to ensure smooth layer-wised deposition during printing. Once established, these formulations undergo a comprehensive characterization of their mechanical and physical behaviour. A particular emphasis will be placed on evaluating anisotropic/orthotropic behaviour, where material properties vary depending on the loading direction relative to the printed layers' orientation. Additionally, the research will compare the properties of 3D printed specimens with conventionally mould cast to understand the impact of the printing process on the material behaviour. Recognizing the interfaces between printed layers as potential weak zones, the research will investigate various surface treatment and strengthening techniques like sand coating, sandblasting, and reinforcing meshes to improve layer interfacial bonding, crucial for the structural integrity of 3D printed elements. Beyond core mechanical properties, the research will explore integrating advanced functionalities into the developed composites through photocatalysis and self-healing. Photocatalysis potentially leading to self-cleaning surfaces will explore incorporating titanium dioxide (TiO2) nanoparticles via surface coating methods. On the other hand, developing composites with self-healing capabilities can significantly enhance long-term durability and reduce maintenance costs. The research will explore fibre reinforced composites' self-healing properties, focusing on mechanical recovery and self sealing. Finally, the research will investigate the short-term durability performance of the developed composites under harsh environmental conditions such as freeze-thaw cycles and carbonation environments. The impact of these conditions on the mechanical properties and overall integrity of the materials will be evaluated by comparing them to control specimens exposed to a laboratory environment.The author acknowledges the scholarship provided by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under the PhD grant SFRH/BD/143636/2019. The author also wishes to acknowledge the support of DST group construction company for funding the project Chair dst/IB-S: Smart Systems for Construction. This work was partly financed by FCT / MCTES through national funds (PIDDAC) under the R&D Unit Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), under reference UIDB / 04029/2020 (doi.org/10.54499/UIDB/04029/2020), and under the Associate Laboratory Advanced Production and Intelligent Systems ARISE under reference LA/P/0112/2020.Cunha, Vitor M. C. F.Universidade do MinhoZadeh, Behzad Zahabi2025-01-242027-01-24T00:00:00Z2025-01-24T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/94871eng101628820info:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-01T01:19:24Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/94871Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T00:06:13.264730Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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