ONDERZOEK NAAR DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN EN DUURZAAMHEID VAN 3D GEPRINT BETON

VAKGROEP BOUWKUNDIGE CONSTRUCTIES LABORATORIUM MAGNEL VOOR BETONONDERZOEK ONDERZOEK NAAR DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN EN DUURZAAMHEID VAN 3D GEPRINT BETON Prof. Dr. Ing. Kim VAN TITTELBOOM, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Universiteit Gent

INLEIDING 3

IMPACT BETON OP MILIEU 4

IMPACT BETON OP MILIEU Betonproductie: 10.000.000.000 ton per jaar Hoog grondstofverbruik Hoge afvalproductie Hoge CO 2 emissie 5

IMPACT BETON OP MILIEU Grijs beton niet langer gebruiken? OF Evolueren naar groene betonconstructies? 6

IMPACT BETON OP MILIEU Proportionele CO 2 uitstoot betonproductie 5% Water 10% Arbeid, bekisting, 3D PRINTEN 8% Wapeningsstaal 12% Zand en granulaten 49% Portlandcement 15% Alternatieve bindmiddelen 7

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR 8

3D PRINTEN WAT?? ASTM: Innovatief en additief productieproces waarbij materialen laagsgewijs worden samengevoegd om objecten te maken van 3D modellen HOE?? Ontwikkeling materiaal Ontwerp, modellering en simulatie Verwerking materiaal Eindproduct 3D CAD model STL Laagjes en 3D printer 3D object (stereolithografie) bestand printpad 9

3D PRINTEN WELKE SECTOREN?? Motorvoertuigen 20% Andere 5% Architectuur 3% Overheid / Militair 6% Academische instellingen 8% Medish / Tandheelkunde 15% Ruimtevaart Ruimtevaart 12% 12% Industriële en bedrijfsmachines 11% Consumentenproduct en en electronica 20% Wohlers report, 2012. 10

3D PRINTEN WAAR?? 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Langenberg E, Mapping 20 years of 3D concrete printing in Architecture, 2015. 11

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR Eerste 3DP kantoorgebouw (250 m²), Dubai 12

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR Verschillende gebouwen in China, Rusland en de VS 13

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR Vergaderfabriek, Nederland (ontwerpfase) 14

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR VOORDELEN Gereduceerde constructiekost: geen bekisting vereist, minder arbeidsintensief Versnellen bouwproces Meer flexibiliteit en architecturale vrijheid Minder materiaalverspilling Hoger veiligheidsniveau NADELEN Moeilijk wapening te voorzien Duurzaamheid en mechanische eiegenschappen van materialen zijn nog niet getest 15

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR 16

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR VOORDELEN Gereduceerde constructiekost: geen bekisting vereist, minder arbeidsintensief Versnellen bouwproces Meer flexibiliteit en architecturale vrijheid Minder materiaalverspilling Hoger veiligheidsniveau NADELEN Moeilijk wapening te voorzien Duurzaamheid en mechanische eiegenschappen van materialen zijn nog niet getest 17

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR 18

3D PRINTEN IN DE BOUWSECTOR VOORDELEN Gereduceerde constructiekost: geen bekisting vereist, minder arbeidsintensief Versnellen bouwproces Meer flexibiliteit en architecturale vrijheid Minder materiaalverspilling Hoger veiligheidsniveau NADELEN Moeilijk wapening te voorzien Duurzaamheid en mechanische eiegenschappen van materialen zijn nog niet getest 19

3D PRINTPROCESSEN 20

3D PRINTPROCESSEN 21

3D PRINTPROCESSEN Ontwikkeld door Enrico Dini Zandlagen met de gewenste dikte worden uitgespreid en verdicht Selectieve uitharding zandlaag door lokaal epoxy/magnesium gebaseerd bindmiddel te injecteren Eens het stuk voltooid is, wordt dit uit het losse zandbed gehaald Off-site 22

3D PRINTPROCESSEN Universiteit Zuid-California Methode van gelaagd bouwen om grote objecten met gladde oppervlakken te realiseren Gladde oppervlakken worden gerealiseerd met behulp van truweeltjes (verticaal en horizontaal) Computer gestuurde kraan om laag per laag te bouwen On-site Eerst buitenstenste lagen geprint vervolgens tussenruimte opgevuld Materialen: polymeren, keramische slurry, cement pasta + additieven (vezels) 23

3D PRINTPROCESSEN Universiteit Loughborough Gelijkaardig aan Contour Crafting computer gestuurde kraan om elementen laagsgewijs op te bouwen Lagere resolutie afgezet materiaal (6mm vs 13 mm) om hogere 3D vrijheid te verkrijgen Off-site Materialen: Hoog performant beton met druksterkte van 100 MPa 24

MATERIAALONDERZOEK 25

TEGENGESTELDE MATERIAALEISEN Maximaliseren mechanische eigenschappen Maximale verwerkbaarheid 26

VERSE EIGENSCHAPPEN GEPRINT BETON 1. Extrudeerbaarheid De mogelijkheid om het verse beton langsheen een hopper en pompsysteem te transporteren naar een extrusiekop waar het geëxtrudeerd moet worden als een continu filament. 2. Verwerkbaarheid (in functie van de tijd) De eigenschap van het verse betonmengsel die bepalend is voor het gemak en de homogeniteit waarmee het gemengd, geplaats en afgewerkt kan worden. 3. Bouwbaarheid De weerstand van het afgezette verse materiaal te vervormen onder invloed van een belasting. 27

EXTRUDEERBAARHEID Le T.T. et al., Materials and Structures, 2012. 45(8). El Cheikh K. et al., Construction and building materials, 2017. 145. Kazemian A. et al., Construction and building materials, 2017. 145. Ingelbrecht T., Optimizing particle size ratio for extrusion purposes. 2017, Ghent University, p. 154. 28

EXTRUDEERBAARHEID Extrusietijd (h:m:s) Extrusietijd (h:m:s) Extrusietijd (h:m:s) Volume fractie partikels (%) Grootteverhouding (-) Volume fractie grove partikels (%) Ingelbrecht T., Optimizing particle size ratio for extrusion purposes. 2017, Ghent University, p. 154. 29

VERWERKBAARHEID IN FUNCTIE VAN DE TIJD Khayat K. H. et al., Materials and Structures, 2012. 45(8). Khayat K. H. et al., Materials and Structures, 2012. 45(8). 30

VERWERKBAARHEID IN FUNCTIE VAN DE TIJD 90 80 70 Koppel (mnm) 60 50 40 30 20 10 0.75% superplast 1% superplast 0 0 10 20 30 40 50 60 Tijd (s) 31

BOUWBAARHEID Le, T.T., et al., Materials and Structures, 2012. 45(8). Ingelbrecht T., Optimizing particle size ratio for extrusion purposes. 2017, Ghent University, p. 154. Perrot et al., Materials and Structures, 2016. 49. 32

BOUWBAARHEID Verplaatsing (mm) Volume fractie partikels = 0% Volume fractie partikels = 10% Volume fractie partikels = 15% Gewicht (g) Ingelbrecht T., Optimizing particle size ratio for extrusion purposes. 2017, Ghent University, p. 154. 33

MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN EN DUURZAAMHEID 34

MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN 15 MIN TIME GAP 4 HOUR TIME GAP Le, T.T., et al., Cement and Concrete Research, 2012. 42. Hambach and volkmer, Cement and Concrete Composites, 2017. 79. 35

MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN Spanning (MPa) Spanning (MPa) Rek (%) Rek (%) Hambach and volkmer, Cement and Concrete Composites, 2017. 79. 36

DUURZAAMHEID GESTORT BETON GEPRINT BETON SLECHTE KWALITEIT GEPRINT BETON GOEDE KWALITEIT Le, T.T., et al., Cement and Concrete Research, 2012. 42. 37

DUURZAAMHEID GESTORT BETON Tijd (dagen) Porieoppervlak (mm²) x GEPRINT BETON (SLECHTE KWALITEIT) GEPRINT BETON (GOEDE KWALITEIT) Drogingskrimp (microstrain) Afmeting poriën (mm) Le, T.T., et al., Cement and Concrete Research, 2012. 42. Le, T.T., et al., Cement and Concrete Research, 2012. 42. 38

Dank aan: Ir. Jolien Van Der Putten 39

BEDANKT VOOR UW AANDACHT! 40

Kim VAN TITTELBOOM Docent Tenure Track VAKGROEP BOUWKUNDIGE CONSTRUCTIES LABORATORIUM MAGNEL VOOR BETONONDERZOEK E kim.vantittelboom@ugent.be T +32 9 264 55 40 Ghent University @ugent Ghent University www.labomagnel.ugent.be www.ugent.be