Una nuova miscela di materiali compositi cementizi rinforzati con fibre per la stampa 3D

I ricercatori sviluppano una nuova miscela di materiali compositi cementizi rinforzati con fibre per la stampa 3D
Quando viene utilizzato per le strutture di stampa 3D  come ponti e case, il cemento deve essere in grado di sostenere il peso degli strati che vengono estrusi sopra di esso. Inoltre, per essere consegnati attraverso un sistema di pompaggio, i materiali cementizi stampabili in 3D devono avere speciali proprietà reologiche, come la viscosità della plastica e lo stress di snervamento, che possono aiutare a determinare la loro pompabilità e costruibilità.

Sono state condotte numerose ricerche che esaminano la relazione tra le prestazioni reologiche di un materiale cementizio e quanto sia pompabile e costruibile, molte delle quali hanno determinato che è importante ottimizzare queste proprietà al fine di soddisfare i requisiti di pompabilità e costruzione.

Secondo una nuova ricerca della Nanyang Technological University ( NTU ) di Singapore, una varietà di aspetti diversi, come la gradazione delle dimensioni delle particelle, l’additivo chimico e i costituenti dei materiali, possono influenzare le proprietà reologiche del materiale cementizio. I materiali compositi cementizi rinforzati con fibre sono spesso usati per prevenire fessurazioni e aumentare le proprietà di trazione, motivo per cui il gruppo di ricerca NTU ritiene che sia necessario creare una sorta di 3D compositi cementizi rinforzati con fibra (3DPFRCC), basati sulle prestazioni reologiche, per grandi stampa 3D in scala.

Nel loro articolo, intitolato ” Materiali compositi cementizi rinforzati con fibra ottica stampabili ad alte prestazioni 3D per la stampa su larga scala “, i ricercatori NTU spiegano come hanno sviluppato una nuova miscela di 3DPFRCC, che presentava proprietà reologiche “caratterizzate da stress di snervamento e viscosità plastica”.

L’abstract dice: “I compositi cementizi di stampa 3D richiedono speciali proprietà reologiche, che sono influenzate in modo significativo dai costituenti dei materiali. In questo lavoro è stata sviluppata una nuova miscela di compositi cementizi rinforzati con fibre stampabili 3D (3DPFRCC). Sono state caratterizzate le prestazioni reologiche, i tempi di impostazione e le proprietà meccaniche, inoltre è stato eseguito un test di stampa per testare la lavorabilità e la pompabilità. I risultati indicano che il nuovo materiale possiede prestazioni reologiche e meccaniche appropriate. Le proprietà reologiche sono progettate sulla base di precedenti test di stampa pratica. Le sollecitazioni statiche e dinamiche sono rispettivamente di 3289 Pa e 314,7 Pa. La viscosità di plasticità è 32,5 Pa · s. Il tempo di impostazione iniziale è di 59,2 minuti. La resistenza alla flessione e la resistenza alla compressione sono 8,6 MPa e 71,2 MPa, rispettivamente a 28 giorni. Quindi, una struttura di 78 × 60 × 90 cm (L × W × H) è stata stampata con successo in 150 minuti, il che dimostra che questo nuovo 3DPFRCC possiede un’eccellente capacità di costruzione e pompabilità, che è in grado di stampare su larga scala. ”

La miscela era una combinazione di sabbia naturale di fiume, Ordinary Portland Cement tipo I 42,5, fumi di silice, fibra PVA con un rivestimento di olio 0,8%, e la classe F ceneri volanti. I campioni a flessione sono stati fabbricati su una stampante 3D in calcestruzzo gantry. I ricercatori hanno testato le prestazioni meccaniche (resistenza alla compressione e alla flessione) del materiale e hanno valutato come si è comportato durante la stampa 3D e “il tempo di apertura è stato caratterizzato dal tempo di impostazione”.

“I modelli di pressione di accumulo e di pompaggio indicano che l’altezza di stampa e la pressione di pompaggio corrispondono rispettivamente allo stress di snervamento e alla viscosità plastica dei materiali (Weng et al., 2018). Una stampa a livello di metro è stata effettuata da Weng et al. tramite l’ottimizzazione della reologia dei materiali “, hanno scritto i ricercatori. “Sulla base delle proprietà reologiche dei materiali utilizzati nella sua stampa a livello di contatore, i materiali utilizzati in questo lavoro sono stati progettati ottimizzando i componenti dei materiali per soddisfare il requisito della reologia per la stampa su larga scala (livello metro). Inoltre, il tempo di impostazione indica il tempo lavorabile per il processo di stampa 3D, che dovrebbe essere sufficiente per il processo di stampa 3D per garantire la pompabilità e le prestazioni di incollaggio appropriate. ”
Dopo aver caratterizzato le prestazioni meccaniche del loro materiale, tra le altre qualità, i ricercatori hanno concluso che, per soddisfare i requisiti di stampabilità 3D, i compositi cementizi richiedono una prestazione reologica speciale.

“I risultati mostrano che la resa statica e lo stress di snervamento dinamico di questo 3DPFRCC sono 3289 Pa e 314,7 Pa, rispettivamente; la viscosità della plastica è 32,5 Pa · s; il tempo di impostazione iniziale è 59,2 minuti; la resistenza alla flessione e la resistenza alla compressione sono 8,5 MPa e 71,2 MPa rispettivamente a 28 giorni “, hanno scritto i ricercatori. “Infine, nel test di stampa è stata stampata una struttura di 78 cm × 60 cm × 90 cm (L × W × H), a dimostrazione del fatto che questo nuovo materiale possiede un’eccellente stampabilità ed è in grado di stampare su larga scala.”
I coautori del giornale sono Yiwei Weng, Shunzhi Qian, Lewei He, Mingyang Li e Ming Jen Tan, tutti con il Centro universitario di Singapore per la stampa 3D .

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