title: Effects of recycled glass, mine tailings, and the printing process on the microstructure and properties of 3D printed concrete
Creators: name: Cuevas Villalobos, Karla Francisca
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::624 Ingenieurbau
subject: 3D concrete printing
subject: recycled glass
subject: mine tailings
subject: microstructural characterization
subject: interlayer bonding

description: In the last decade, 3D printing of concrete has become an extensively studied promising new technology for the construction industry. Disciplines such as material science, civil engineering, architecture, and robotics have been constantly improving this technology to a level where 3D printed buildings and bridges exist in multiple places worldwide. Besides the progress, new challenges have appeared involving the development of sustainable mixtures and testing methods for this new technology, and the study of the properties and characteristics of 3D printable elements. This doctoral thesis includes five publications and a section of complementary unpublished work to answer four research questions after a comprehensive literature review chapter. The findings of this dissertation focus on four main research areas: the development of sustainable mixtures using recycled materials, the production of lightweight and thermally insulating printable cementitious composites, the utilization of image analysis techniques in printed elements, and the study of the interfilament and interlayer regions of printed samples. Sustainable mixtures containing recycled aggregates as aggregate replacement and mine tailings as supplementary cementitious materials were developed and studied showing that incorporating waste materials can, in some cases, improve the performance of 3D printed cementitious composites. Mixtures containing recycled glass had a more compact microstructure with fewer interconnected pores and lower anisotropy, which impacted the setting time, thermal conductivity, and mechanical properties. Printable mixtures containing between 20-40 vol.-% of copper tailings as cement replacement proved to be pumpable, extrudable, and buildable at 25°C and 35°C. The incorporation of copper tailings reduced the thermal dependency of conventional concrete mixtures. The inclusion of expanded thermoplastic microspheres (ETM) reduced the density and improved the thermal properties of 3D printed concrete. During and after the printing process, the microspheres maintained their spherical shape despite the printing pressure. ETM samples reported a more compact microstructure, decreasing the pore anisotropy and quantity, thereby improving the buildability of the mixture. However, the addition of this material severely affected the mechanical properties due to its non-reactive nature. This dissertation also analyses the usage of various image analysis technologies to study different aspects of the microstructure and other larger-scale characteristics of 3D printed elements. Topics such as porosity, structural failure, interfilament area, and interlayer bonding were studied. Combining different imaging technologies proved to be crucial to understanding the effects of the printing process from the development of interfilament voids in small-scale prisms to the failure of a large-scale printed structure. Finally, this dissertation studied in depth the development and influence of the interfilament and interlayer bonding of 3D printed concrete elements. The factor that mostly affected the mechanical performance was the interfilament voids, which are prominent in the vertical direction. After studying various printing patterns to improve the printing quality and performance, a printed pattern with confined filaments proved to be the optimal alternative. A high level of confinement resulted in a porosity reduction and presented improvements in mechanical performance. Results also showed that elongated pores of the interlayer region did not compromise the interlayer bonding capacity.
description: In den letzten zehn Jahren hat sich der 3D-Druck von Beton zu einer vielversprechenden neuen Technologie für die Bauindustrie entwickelt. Disziplinen wie Materialwissenschaft, Bauingenieurwesen, Architektur und Robotik haben diese Technologie ständig weiterentwickelt. Heutzutage existieren bereits 3D-gedruckte Gebäude und Brücken an vielen Orten weltweit. Neben den Fortschritten im Kontext des 3D-Drucks von Beton sind auch neue Herausforderungen entstanden, so beispielsweise die Entwicklung nachhaltiger Mischungen und Prüfmethoden für diese neue Technologie sowie die Untersuchung der Eigenschaften und Merkmale von 3D-druckbaren Elementen. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf Veröffentlichungen ergänzt durch unveröffentlichte Arbeiten, und beantwortet nach einem umfassenden Kapitel zur Literaturübersicht vier Forschungsfragen. Dabei beschäftigt sich diese Dissertation im Wesentlichen mit folgenden vier Hauptforschungsbereichen: der Entwicklung nachhaltiger Mischungen unter Verwendung recycelter Materialien, der Herstellung leichter und wärmedämmender druckbarer zementhaltiger Verbundwerkstoffe, der Anwendung von Bildanalysetechniken bei gedruckten Elementen und der Untersuchung des Interfilamentund Zwischenschichtbereichs gedruckter Proben. Es wurden nachhaltige Mischungen entwickelt und untersucht, welche recycelte Gesteinskörnungen als Zuschlagsersatz und Abraum aus Bergwerken als Zementersatzstoffe enthalten. Dabei zeigte sich, dass die Einbeziehung von Abfallstoffen in einigen Fällen die Leistung von 3D-gedruckten zementartigen Verbundwerkstoffen verbessern kann. Mischungen, die recyceltes Glas enthielten, wiesen eine kompaktere Mikrostruktur mit weniger miteinander verbundenen Poren und geringerer Anisotropie auf, was sich auf die Abbindezeit, die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften auswirkte. Druckfähige Mischungen, die zwischen 20 und 40 vol.-% Abraum des Kupfererzabbaus als Zementersatz enthielten, erwiesen sich als pumpfähig, extrudierbar und bei 25°C und 35°C verarbeitbar, wodurch die thermische Abhängigkeit herkömmlicher Betonmischungen verringert wurde. Die Zugabe von expandierten thermoplastischen Mikrokugeln (ETM) reduzierte die Dichte und verbesserte die thermischen Eigenschaften des 3D-gedruckten Betons. Während und nach dem Druckprozess behielten die Mikrokugeln ihre kugelförmige Gestalt trotz des Drucks bei. Die ETM-Proben wiesen eine kompaktere Mikrostruktur auf und verringerten die Porenanisotropie und -menge, wodurch sich die Verarbeitbarkeit der Mischung verbesserte. Allerdings wurden die mechanischen Eigenschaften durch die Zugabe dieses Materials stark beeinträchtigt, da ETM nicht reaktiv sind. In dieser Dissertation wird auch der Einsatz verschiedener Bildanalysetechnologien zur Untersuchung diverser Aspekte der Mikrostruktur und anderer größerer Merkmale von 3D-gedruckten Elementen analysiert. Untersucht wurden Aspekte wie Porosität, strukturelles Versagen, sowie Interfilament- und Zwischenschichtbereiche. Die Kombination verschiedener bildgebender Verfahren erwies sich als entscheidend für das Verständnis der Auswirkungen des Druckprozesses - von der Entstehung von Hohlräumen zwischen den Filamenten in kleinen Prismen bis hin zum Versagen einer großflächigen gedruckten Struktur. Abschließend untersucht diese Dissertation eingehend die Entwicklung und den Einfluss des Interfilament- und Interlayer-Verbundes von 3D-gedruckten Betonelementen. Der Faktor, der sich am stärksten auf die mechanische Leistung auswirkte, waren die Hohlräume zwischen den Filamenten, die in vertikaler Richtung besonders ausgeprägt sind. Nach der Untersuchung verschiedener Druckmuster zur Verbesserung der Druckqualität und -leistung erwies sich ein Druckmuster mit eingeschränkten Filamenten als die optimale Alternative. Ein hoher Füllgrad führte zu einer Verringerung der Porosität und zu Verbesserungen der mechanischen Leistung. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die verlängerten Poren im Zwischenschichtbereich den Verbund der Zwischenschicht nicht beeinträchtigten.