Diseño de hormigón para impresión en 3D

Abstract

[EN] Reinforced concrete is and may continue to be the material par excellence in building structures due to its advantages (shape adaptability, versatility and cost effectiveness), compared to other materials. The widespread construction method for the execution of structures has been similar, and the laying of reinforced concrete has been traditionally manual, with the risks that it carries. Other industries have evolved with hardly any limitations. The development of automation has been the solution to various problems, saving costs and time, but in architecture and construction, this development shows some kind of inertia against innovation. In recent times, there has been a certain trend towards the automation of the construction process to develop the so-called Additive Manufacturing (use of rapid prototyping machines to produce parts for direct end use). This type of production in construction is carried out by 3D printing different materials, and this type of printing consists of the superposition of layers of material, which in this case is concrete. Some companies such as D-Shape, Concrete Printing and Contour Crafting have been studied by some researchers as S.Lim et al. because they develop large-scale concrete elements through extrusion process or 3D printing.

The general objective has been to develop concrete dosages with special features that can be used to project and print in 3D with the new developed techniques. To this end, concrete mixtures are produced with the following characteristics: -Short and long term high resistance. -A specific consistency and workability, as well as fluid and workable mixtures, with the possibility of incorporating fibres. -Ultrafast setting times.

The project has been divided into two parts. The first part involves the development of an art studio, with general information, history, applications and characteristics of mixtures from different technologies, or special developed materials or under development which are directly related to the new technique of additive manufacturing and concrete 3D printing. It also explains the setting process of Portland cement, which is a very important issue for the mixtures. The second part is about the experimental study of different mixtures by following an experimental procedure in several stages in order to analyse: -The influence of the different types of setting accelerators and their dosage (4 types of accelerators). -The setting times of the mixtures. -The evolution of workability over time. -The evolution of short and long term resistance to bending and compression. -The incorporation of fibres.

In this way, results and conclusions have been obtained, as well as several workable mixtures with ultrafast setting and high resistance which offer the possibility of incorporating fibres.

These results leave the door open for future research on the modification of mixtures and the adaptability of these mortars to the new technologies being developed today in the construction and architectural field.

[ES] El hormigón armado es y continuará siendo el material por excelencia en la construcción de estructuras debido a sus ventajas (adaptabilidad de forma, versatilidad y rentabilidad), frente a otros materiales. El procedimiento constructivo en estructuras ejecutadas con este material ha sido similar, y tradicionalmente la puesta en obra del hormigón armado ha sido manual, con los riesgos que conlleva este hecho. Otras industrias han evolucionado sin apenas limitaciones. El desarrollo de la automatización ha supuesto la solución a distintos problemas, ahorrando costes y tiempos. Pero en la arquitectura y la construcción, el desarrollo ha mostrado inercia en contra de la innovación. Alguna tendencia a la automatización del proceso constructivo para desarrollar la denominada Fabricación Aditiva, (utilización de máquinas de prototipo rápido que producen piezas para un uso final directo) se observa últimamente. Este tipo de fabricación se lleva a cabo con la impresión 3D de diferentes tipos de materiales. Dicha impresión se entiende como la suma de capas del material; en este caso, como suma de capas de hormigón. Algunas empresas como D-Shape, Concrete Printing y Contour Crafting han sido estudiadas por algunos investigadores como R.A. Buswell et al. y S.Lim et al., por desarrollar elementos de hormigón a gran escala y de forma extrusionada o utilizando impresoras 3D. El objetivo general ha sido el desarrollo de dosificaciones de hormigón que puedan utilizarse para proyectar y para imprimir en 3D con las nuevas técnicas desarrolladas. Para ello se elabora mezclas de hormigón con las siguientes características: -Elevadas resistencias a corto y largo plazo. -Consistencia y trabajabilidad concreta, buscando fluidez y trabajabilidad, con la posibilidad de incorporar fibras. -Tiempos de fraguado ultrarrápidos. El proyecto se ha dividido en dos partes. Desarrollo de un estudio del arte, con información general, historia, aplicaciones, y características de las mezclas de las diferentes tecnologías, o materiales especiales desarrollados o en proceso de desarrollo, relacionados de forma directa con la nueva técnica de fabricación aditiva y la impresión de hormigón en 3D. También, se explicará el proceso de fraguado del cemento Portland, aspecto importante para las mezclas. La segunda ha consistido en el estudio experimental de diferentes mezclas, siguiendo un procedimiento experimental en varias fases, para analizar: -La influencia de tipos de acelerador de fraguado, y su dosificación (4 tipos de aceleradores). -El tiempo de inicio de fraguado de las mezclas. -La evolución de la trabajabilidad a lo largo del tiempo. -La evolución de las resistencias a flexión y compresión a tiempos cortos y largos. -La incorporación de fibras. Con ello se han obtenido algunos resultados y conclusiones, la obtención de varias mezclas trabajables, con fraguado ultrarrápido y con altas resistencias, que presentan la posibilidad de incorporar fibras. Estos resultados dejan abiertas futuras líneas de investigación para la modificación de las mezclas y adaptabilidad de estos morteros a las nuevas tecnologías que se están desarrollando en la actualidad en el ámbito constructivo y arquitectónico.