Oriëntatie staalvezels in 3D-geprint beton Onderzoek naar de invloed van het printproces op de vezeloriëntatie en het effect op de mechanische eigenschappen 70? CEMENT 6 2020 De ontwikkeling van het printen van beton wordt geremd door enerzijds de beperking in de af- metingen van de te printen ele- menten en anderzijds de beperk - te treksterkte als er geen wapening wordt toegevoegd [5]. Recentelijk hebben de auteurs van dit arti ­ kel een mengsel van 'ultra high performan ­ ce fiber reinforced concrete' (UHPFRC) ont­ wikkeld, geschikt voor 3D­ printen op extrusiebasis [6, 7]. Hierin werden korte staalvezels toegevoegd om de treksterkte te verbeteren. Tijdens het printen met het mengsel viel op dat de oriëntatie van de staalvezels overwegend overeenkwam met de printrichting [7]. Een vergelijkbaar beeld werd gerapporteerd in eerdere studies naar printbare cement­/geopolymeermengsels versterkt met staal ­ of polymeervezels [11]. Er is op dit moment echter geen kwantitatief inzicht in de vezeloriëntatie in met vezels ge­ wapend 3D­geprint beton. In deze studie is een experimenteel programma uitgevoerd om dat inzicht wel te verkrijgen. Om de vezeloriëntatie te kwantificeren is digitale beeldanalyse gebruikt bij dunne gezaagde doorsnedes. Daarnaast is onder­ zocht wat het effect is van de vezeloriëntatie op het mechanisch gedrag van dit type 3D­geprint UHPFRC op basis van drukproe­ ven en driepuntsbuigproeven. Om tot een vergelijking te komen zijn in een mal gestor­ te proefstukken vervaardigd met hetzelfde mengsel en vervolgens beproefd. Materialen en mengselontwerp Het 3D­ printbare UHPFRC­ mengsel bestond uit normaal portlandcement (OPC), silica fume, zand, superplastificeerder, viscositeits­ modificerend middel, staalvezels en water. Het portlandcement en de silica fume vol ­ doen aan de eisen in Australian Standard AS3972 General purpose and blended Cements respectievelijk Australian Standard AS3852 Supplementary cementitious materials. Het bindmiddel bestond voor 70% uit portland ­ cement en 30% uit silica fume. De water­ Ondanks de groeiende belangstelling voor 3D-betonprinten blijft de geringe treksterkte een serieuze beperking in de verdere ontwikkeling van deze technologie. Het inzetten van korte staalvezels vormt een mogelijkheid om daar verbetering in te brengen. Eén van de vragen die daarbij beantwoord moet worden, is of en zo ja, in welke mate het printproces de vezeloriëntatie beïnvloedt en welk effect dit op de mechanische eigenschappen heeft. In een studie aan de Swinburne University of Technology (AUS) is een stap gezet in het verkrijgen van het antwoord op die vraag. BRON Dit artikel is een vertaalde bewerking van de paper Quantitative evaluation of ori- entation of steel fibers in 3D-printed ultra-high perfor- mance concrete van Arun Arunothayan (Swinburne University of Technology / AUS), Behzad Nematollahi (Swinburne University of Technology / AUS), Jay San- jayan (Swinburne University of Technology / AUS), Ravi Ranade (University at Buf - falo / VS), Shin Hau Bong (Swinburne University of Technology / AUS) en Kamal Khayat (Missouri University of Science and Technology / VS). De paper is geschreven voor de RILEM-conferentie Digital Concrete 2020. Deze conferentie is georganiseerd door de TU Eindhoven en vond digitaal plaats van 6 tot 9 juli 2020. De bewerking is gedaan door ir. Paul Lagendijk (registerontwerper bij Aronsohn Constructies raadgevende ingenieurs b.v. / redactie Cement). CEMENT 6 2020 ?71 bindmiddelfactor was 0,16. Drie types zand (fijn, medium en grof ) werden gebruikt met massaverhouding fijn­medium ­grof van 4:3:3. De totale zand ­bindmiddel verhouding was 1:1 (m/m). Een superplastificeerder op basis van polycarboxylaat ether is toegepast in een massaverhouding met het bindmiddel van 1% en nanoklei ­viscositeitsmodificerend middel in een massaverhouding met het bindmiddel van 0,3% als hulpstof. Korte met koper gecoate staalvezels (zie tabel 1) zijn gebruikt met een volumefractie van 2%. Experimenten Mengen, printen, storten en nabehandelen? De droge bindmiddelen en de drie types zand werden gedurende drie minuten in een 60 liter planeetmenger gemengd. Ver­ volgens werd driekwart van het water toe­ gevoegd en gedurende vijf minuten gemengd. De superplastificeerder is vermengd met het resterende water en vervolgens toege­ voegd aan het mengsel. Na het verkrijgen van voldoende vloeibaarheid van het mengsel, zijn de staalvezels geleidelijk toegevoegd en is er nog zes minuten ge­ mengd. Als laatste is de nanoklei toege­ voegd. Visuele inspectie liet een uniforme verdeling van de staalvezels zien. In de studie is een 3D­ printer met een gantry (portaal) en een printbed van 1,80 m lengte, 1,60 m breedte en 1,80 m hoogte ge­ bruikt. Het betonmengsel werd toegevoerd naar de schroefextruder van de printer. Een rond mondstuk met een diameter van 30 mm was bevestigd aan de onderzijde van de extruder. De printsnelheid was 30 mm per seconde en het extrusievolume 1,3 liter per minuut. Massieve elementen van 270 mm lengte, 270 mm breedte en 60 mm dikte werden geprint (fig. 1). Zes lagen, elk met een dikte van 10 mm, werden op elkaar ge­ stapeld volgens een gepland printpatroon, zoals aangegeven met de pijlen in figuur 1. Het verse mengsel werd ook in kubussen 50 x 50 x 50 mm 3 en prisma's 40 x 40 x 160 mm 3 gestort om ook te beschikken over tra ­ 1 3D-geprint element in UHPFRC 1 auteurs ARUN ARUNOTHAYAN Center for Smart Infrastructure and Digital Construction Swinburne University of Technology (AUS) BEHZAD NEMATOLLAHI Center for Smart Infrastructure and Digital Construction Swinburne University of Technology (AUS) JAY SANJAYAN Center for Smart Infrastructure and Digital Construction Swinburne University of Technology (AUS) RAVI RANADE Department of Civil, Structural and Environmental Engineering (CSEE) University at Buffalo (VS) KAMAL KHAYAT Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering Missouri University of Science and Technology (VS) SHIN HAU BONG Center for Smart Infrastructure and Digital Construction Swinburne University of Technology (AUS) 72? CEMENT 6 2020 2 Zaagschema's en beproevingsrichting van de 3D-geprinte UHPFRC voor (a) drukproeven, en (b) en (c) buigproeven 3 Beeldverwerkingstechniek bij evalueren van vezeloriëntatie in UHPFRC 2 3 Er is op dit moment geen kwantitatief inzicht in de vezeloriëntatie in met vezels gewapend 3D-geprint beton Tabel 1?Eigenschappen staalvezels lengte [mm] diameter [µm] volumieke massa [g/cm 3] elasticiteitsmodulus [Gpa] sterkte [Mpa] 6 200 7.85 2002500 CEMENT 6 2020 ?73 ditioneel gestorte proefstukken. Na het printen werden de elementen afge­ dekt met plastic en bewaard op kamer­ temperatuur (23 ± 3 °C) gedurende 48 uur. Daarna zijn de verharde elementen met stoom nabehandeld op 90 °C gedurende 48 uur. De in mallen gestorte proefstukken werden na 24 uur ontkist en daarna gedu­ rende 24 uur op kamertemperatuur be­ waard, alvorens ze op dezelfde wijze als de geprinte elementen met stoom werden na ­ behandeld. Na afloop van de nabehande­ ling zijn alle (zowel de geprinte als de ge­ storte) elementen nog 72 uur op kamertemperatuur bewaard. De totale verhardingstijd die in deze studie is toege­ past, was 7 dagen. Na deze versnelde ver­ harding werd geen significante sterktetoe­ name waargenomen (tot 28 dagen). Vergelijkbare waarnemingen zijn elders gerapporteerd [12, 13]. Om die reden zijn alle proefstukken in deze studie beproefd met een ouderdom van 7 dagen. Beproeven van de proefstukken? Uit de geprinte elementen werden kubussen (50 x 50 x 50 mm³) en prisma's (50 x 50 x 200 mm³) gezaagd om de druksterkte en de buigtreksterkte te bepalen. Alle zijden van de gezaagde elementen werden vlak gemaakt. Bij de belasting op druk is een constante spanningstoename van 0,33 MPa per seconde toegepast. Bij de driepuntsbuigproeven is een vervor­ mings­snelheid van 1 mm per minuut aan ­ gehouden. De belastingrichtingen zijn weergegeven in figuur 2. De proefstukken zijn in drie richtingen belast op druk (fig. 2a) en op buiging (fig. 2b en 2c). Zes proefstukken werden getest voor elk type en elke richting van belasting. Dezelfde be­ proevingen werden ook gedaan op de tra ­ ditioneel gestorte proefstukken. Beeldanalyse van de vezeloriëntatie? De vezeloriëntatie in het 3D­geprinte en traditioneel gestorte UHPFRC is gekwanti ­ ficeerd door het gebruik van digitale beeldverwerkingstechniek [14, 15]. De proefstukken met doorsnede 50 x 50 mm 2 zijn over deze doorsnede doorgezaagd in plakken van 15 mm. Alle proefstukken werden geschuurd om een gepolijst op­ pervlak te krijgen. Een flatbed fotoscanner (HP Scanjet G3110) is gebruikt om hoge re­ solutiebeelden te verkrijgen van de ge­ zaagde secties. De verkregen RGB­beelden zijn geconverteerd naar beelden met grijs­ waarden door het gebruik van beeldanaly ­ sesoftware. Door het selecteren van een passende kleurcontrastdrempel, zijn deze grijswaarden geconverteerd naar binaire beelden en is de vezeloriëntatie in relatie met de print­ richting gemeten. Niet onver­ meld kan blijven dat voor de selectie van de juiste kleurdrempel de nodige ervaring nodig is. In zowel de gestorte als de ge­ printe monsters werden minimaal 300 staalvezels geïdentificeerd en gemeten. Figuur 3 geeft de in deze studie uitgevoerde stappen in het proces van de beeld ­analyse weer. 4 Frequentieverdeling van vezeloriëntatie in UHPFRC voor (a) 3D-geprinte proefstukken en (b) in bekisting gestorte proefstukken 4a 4b Uit de geprinte elementen werden kubus- sen en prisma's gezaagd om de druksterkte en de buigtrek - sterkte te bepalen 74 ? CEMENT 6 2020 5 Waarschijnlijkheidsverdeling van vezeloriëntatie in UHPFRC 6 Gemiddelde druksterkte van UHPFRC?7 Gemiddelde scheurmoment van UHPFRC Resultaten Vezeloriëntatie ? De frequentieverdeling van de vezeloriëntatie in de proefstukken is weergegeven in figuur 4. Vezeloriëntaties van 0° en 90° staan respectievelijk voor vezels parallel en lood ­ recht op de printrichting (X ­richting). In de geprinte proefstukken was de aanwezigheid van vezels met de kleine hoeken (tot 20°) ten opzichte van de printrichting significant hoger dan in de in bekisting gestorte proef ­ stukken. Dit duidt op uitlijning van de vezeloriëntatie parallel aan de printrichting. Figuur 5 toont een statistische verdelings­ curve voor de vezeloriëntatie in enerzijds de geprinte en anderzijds de gestorte proef ­ stukken. Het oppervlak onder de curve tus­ sen bepaalde hoeken laat de waarschijnlijk ­ heid zien dat de oriëntatie van de staalvezels in een bepaalde range van hoeken optreedt. De piekwaarde in de verdeling lag bij de geprinte proefstukken bij 22° terwijl dat bij de gestorte proefstukken 41° was. Druksterkte? In de druksterkte van de ge­ printe proefstukken was anisotroop gedrag zichtbaar, afhankelijk van de belastingrich ­ ting (fig. 6). De hoogste druksterkte werd waargenomen in de printrichting (3DP ­X) door de verdichting in deze richting tijdens het extrusieproces. In de twee andere rich ­ tingen (Y en Z) was de druksterkte lager dan in de X ­richting. Vergelijkbare anisot­ rope waarnemingen zijn gerapporteerd bij eerdere studies naar verschillende geprin ­ te bouwmaterialen [16, 17]. De gemiddelde druksterkte van de in bekisting gestorte proefstukken was gelijk aan de in de print­ richting bereikte sterkte van de geprinte proefstukken. Buigtreksterkte? Het gemiddelde scheur­ moment van de proefstukken is weergege­ ven in figuur 7. Net als bij de druksterkte was anisotroop gedrag zichtbaar. In de geprinte proefstukken wordt het hoogste scheurmoment gevonden als de kracht op het proefstuk in de Z­ richting wordt aan­ gebracht, gevolgd door de krachten in de Y ­ en X ­richting. Het hogere scheurmo­ ment in de 3DP ­Z­ en 3DP ­Y ­proefstukken duidt op grotere uitlijning van de vezels Het op extrusie gebaseerde 3D-printproces resulteerde in sterkere uitlij- ning van de korte staal - vezels in de printrichting 6 5 7 CEMENT 6 2020 ?75 in de printrichting. De scheurmomenten van deze proefstukken waren ook groter dan die van de gestorte proefstukken met minder uitlijning in de vezeloriëntatie. De resultaten van de buigtreksterkte komen goed overeen met de resultaten van de vezeloriëntatie. Het feit dat het scheurmo­ ment in de 3DP ­Z­ proefstukken hoger is dan in de 3DP ­Y ­proefstukken, kan wor­ den gewijd aan het eigen gewicht van de proefstukken in de Z­ richting: dit veroor­ zaakt een verdichting van de onderste lagen waardoor trekspanningen worden weerstaan. In de 3DP ­X ­proefstukken was de belastingrichting evenwijdig aan de laaginterface, dat het zwakste vlak in de geprinte versies is. Dit resulteerde in het laagste gemiddelde scheurmoment in de X ­richting. Conclusie De uitlijning van vezels in UHPFRC door het op extrusie gebaseerde 3D­ printproces is in deze studie kwantitatief geanalyseerd, waarbij een 3D­ printbaar UHPFRC­ mengsel met 2% (v/v) aan staalvezels is gebruikt. Het effect van de vezeloriëntatie op de mechanische eigenschappen is ook bestu ­deerd. De volgende conclusies zijn getrokken: Het op extrusie gebaseerde 3D­ printpro­ ces resulteerde in sterkere uitlijning van de korte staalvezels in de printrichting. Op basis van digitale beeldanalyse en statische analyse bleek de verwachtingswaarde van de vezeloriëntatie bij geprinte proefstukken 22° terwijl dat bij de traditioneel in bekisting gestorte proefstukken 41° was. In de op druk belaste geprinte proefstuk ­ ken was anisotroop gedrag zichtbaar. Van de geprinte proefstukken werd de hoogste druk ­ sterkte waargenomen in de printrichting (3DP ­X). De sterkte van de 3DP ­X ­proefstuk ­ ken was vergelijkbaar met die van de traditi ­ oneel in bekisting gestorte proefstukken. De uitlijning van de vezeloriëntatie in de printrichting leidde tot een significante toe­ name van het gemiddelde scheurmoment van de geprinte proefstukken in 3DP ­Z­ en 3DP ­Y ­richting in vergelijking met de tradi ­ tioneel in bekisting gestorte proefstukken. Het gemiddelde scheurmoment in de 3DP ­ X ­richting (evenwijdig aan de interface tus­ sen de verschillende lagen) was lager dan dat van de traditioneel in bekisting gestorte proefstukken. LITERATUUR 1?Sanjayan, J.G., Nazari, A. and Nematollahi, B.: 3D Concrete Printing Technology: Construction and Building Applications. Butterworth-Heinemann (2019). 2?Wangler, T., Roussel, N., Bos, F.P., Salet, T.A., Flatt, R.J.: Digital concrete: a review. Cement and Concrete Research 123, 105780 (2019). 3?De Schutter, G., Lesage, K., Mechtcherine, V., Nerella, V.N., Habert, G. and Agusti-Juan, I.: Vision of 3D printing with concrete?technical, economic and environmental potentials. Cement and Concrete Research 112, 25-36 (2018). 4?Buswell, R.A., de Silva, W.L., Jones, S.Z. and Dirrenberger, J.: 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research 112, 37-49 (2018). 5?Nematollahi, B., Xia, M., Sanjayan, J.G.: Current progress of 3D concrete printing technologies. In: 34th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), pp. 260-267. Taiwan (2017). 6?Arunothayan, R., Nematollahi, B., Bong, S.H., Ranade, R, Sanjayan, J.G.: Hardened properties of 3D printable ultra-high performance fiber-reinforced concrete for digital construction applications. In: Mechtcherine, V., Khayat, K., Secrieru. E. (eds) Rheology and Processing of Construction Materials (RheoCon 2019, SCC 2019), RILEM Bookseries vol. 23, pp. 355-362. Springer, Cham (2019). 7?Arunothayan, A.R., Nematollahi, B., Ranade, R., Bong, S.H. and Sanjayan, J.G.: Development of 3D-printable ultra-high performance fiber-reinforced concrete for digital construction. Construction and Building Materials 257, 119546 (2020). 8?Panda, B., Paul, S.C., Tan, M.J.: Anisotropic mechanical performance of 3D printed fiber reinforced sustainable construction material. Materials Letters 209, 146-149 (2017). 9?Hambach, M., Rutzen, M., Volkmer, D.: Properties of 3D-printed fiber reinforced Portland cement paste. Cement and Concrete Composites 79, 62-70 (2017). 10?Bos, F., Bosco, E., Salet, T.: Ductility of 3D printed concrete reinforced with short straight steel fibers. Virtual and Physical Prototyping 14(2), 160-174 (2018). 11?Bong, S.H., Nematollahi, B., Xia, M., Nazari, A., Sanjayan, J.G., Pan, J.: Properties of 3D-printable ductile fiber reinforced geopolymer composite for digital construction applications. In: Mechtcherine, V., Khayat, K., Secrieru. E. (eds) Rheology and Processing of Construction Materials (RheoCon 2019, SCC 2019), RILEM Bookseries vol. 23, pp. 363-372. Springer, Cham (2019). 12?AFGC Scientific and Technical Committee: Ultra High Performance Fiber-Reinforced Concretes: Interim Recommendations. Association Française de Genie Civil, France (2002). 13?ACI Committee 239R-18: Ultra High Performance Concrete: An Emerging Technology Report. American Concrete Institute, USA (2018). 14?Kang, S.T., Lee, B.Y., Kim, J.K., Kim, Y.Y.: The effect of fibre distribution characteristics on the flexural strength of steel fibre-reinforced ultra high strength concrete. Construction and Building Materials 25(5), 2450-2457 (2011). 15?Meng. W,, Khayat, K.H.: Improving flexural performance of ultra-high-performance concrete by rheology control of suspending mortar. Composites Part B: Engineering 117, 26-34 (2017). 16?Nematollahi, B., Xia, M., Bong, S.H., Sanjayan, J.G.: Hardened properties of 3D printable 'one-part' geopolymer for construction applications. In: Wangler, T., Flatt, R., (eds) First RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication (Digital Concrete 2018), RILEM Bookseries vol. 19, pp. 190-199. Springer, Cham (2018). 17?Bong, S.H., Nematollahi, B., Nazari, A., Xia, M., Sanjayan, J.G.: Method of optimisation for ambient temperature cured sustainable geopolymers for 3D printing construction applications. Materials. 12(6) 902 (2019). 76? CEMENT 6 2020