Durch die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Dosierungen von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) auf die Druckbarkeit, die rheologischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckmörtel wurde die optimale HPMC-Dosierung ermittelt und deren Wirkungsmechanismus in Kombination mit der mikroskopischen Morphologie analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fließfähigkeit des Mörtels mit steigendem HPMC-Gehalt abnimmt, d. h. die Extrudierbarkeit sinkt, während die Fließfähigkeit zunimmt. Extrudierbarkeit, Formbeständigkeit und Durchdringungswiderstand unter Eigengewicht steigen mit zunehmendem HPMC-Gehalt signifikant an, d. h. die Stapelbarkeit verbessert sich und die Druckzeit verlängert sich. Rheologisch betrachtet steigen mit zunehmendem HPMC-Gehalt die scheinbare Viskosität, die Fließgrenze und die plastische Viskosität der Suspension signifikant an, was die Stapelbarkeit verbessert. Die Thixotropie nimmt zunächst zu und dann wieder ab, was die Druckbarkeit verbessert. Ein zu hoher HPMC-Gehalt führt zu erhöhter Porosität des Mörtels und verringerter Festigkeit. Es wird empfohlen, dass der HPMC-Gehalt 0,20 % nicht überschreitet.
In den letzten Jahren hat sich die 3D-Drucktechnologie (auch bekannt als additive Fertigung) rasant entwickelt und findet breite Anwendung in Bereichen wie Bioengineering, Luft- und Raumfahrt sowie Kunst. Das formlose Verfahren des 3D-Drucks hat die Materialeigenschaften und die Flexibilität der Konstruktionsplanung erheblich verbessert. Die automatisierte Bauweise spart nicht nur Arbeitskraft, sondern eignet sich auch für Bauprojekte in anspruchsvollen Umgebungen. Die Kombination von 3D-Drucktechnologie und Bauwesen ist innovativ und vielversprechend. Aktuell sind die Extrusions- und Pulverbindeverfahren (D-Form-Verfahren) repräsentative Druckverfahren für zementgebundene Werkstoffe. Das Extrusions- und Pulverbindeverfahren bietet Vorteile wie geringe Abweichungen vom traditionellen Betonformverfahren, die Möglichkeit zur Herstellung großer Bauteile und niedrige Baukosten. Diese Nachteile haben es zu einem aktuellen Forschungsschwerpunkt der 3D-Drucktechnologie für zementgebundene Werkstoffe gemacht.
Für zementgebundene Werkstoffe, die als „Tintenmaterialien“ für den 3D-Druck verwendet werden, gelten andere Leistungsanforderungen als für herkömmliche zementgebundene Werkstoffe: Zum einen müssen frisch gemischte zementgebundene Werkstoffe bestimmte Anforderungen an ihre Verarbeitbarkeit stellen, und der Bauprozess muss eine reibungslose Extrusion gewährleisten. Zum anderen muss der extrudierte zementgebundene Werkstoff stapelbar sein, d. h. er darf unter seinem Eigengewicht und dem Druck der darüberliegenden Schicht nicht zusammenbrechen oder sich wesentlich verformen. Darüber hinaus erfordert der Laminierungsprozess beim 3D-Druck eine gute Haftung zwischen den Schichten, um gute mechanische Eigenschaften im Grenzbereich zwischen den Schichten zu gewährleisten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Extrudierbarkeit, Stapelbarkeit und hohe Haftung gleichzeitig berücksichtigt werden müssen. Zementgebundene Werkstoffe sind eine der Voraussetzungen für die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bauwesen. Die Anpassung des Hydratationsprozesses und der rheologischen Eigenschaften zementgebundener Werkstoffe sind zwei wichtige Wege zur Verbesserung der genannten Druckeigenschaften. Die Anpassung des Hydratationsprozesses zementgebundener Werkstoffe ist schwierig umzusetzen und kann leicht zu Problemen wie Rohrverstopfungen führen. Die Regulierung der rheologischen Eigenschaften erfordert die Aufrechterhaltung der Fließfähigkeit während des Druckprozesses und der Strukturierungsgeschwindigkeit nach dem Extrusionsformen. In der aktuellen Forschung werden Viskositätsmodifikatoren, mineralische Zusatzstoffe, Nanotone usw. häufig eingesetzt, um die rheologischen Eigenschaften zementgebundener Werkstoffe anzupassen und so eine bessere Druckleistung zu erzielen.
Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) ist ein gängiges Polymerverdickungsmittel. Die Hydroxyl- und Etherbindungen der Molekülkette können über Wasserstoffbrückenbindungen freies Wasser binden. Die Zugabe von HPMC zu Beton verbessert dessen Kohäsion und Wasserrückhaltung. Aktuell konzentriert sich die Forschung zum Einfluss von HPMC auf die Eigenschaften zementgebundener Werkstoffe hauptsächlich auf dessen Auswirkungen auf Fließfähigkeit, Wasserrückhaltung und Rheologie. Die Eigenschaften zementgebundener Werkstoffe im 3D-Druck (wie Extrudierbarkeit, Stapelbarkeit etc.) wurden hingegen bisher kaum untersucht. Aufgrund fehlender einheitlicher Standards für den 3D-Druck existiert zudem noch keine etablierte Bewertungsmethode für die Druckbarkeit zementgebundener Werkstoffe. Die Stapelbarkeit wird anhand der Anzahl druckbarer Schichten mit signifikanter Verformung oder der maximalen Druckhöhe bewertet. Diese Bewertungsmethoden sind jedoch stark subjektiv, wenig universell anwendbar und aufwendig. Eine leistungsorientierte Bewertungsmethode birgt daher großes Potenzial und ist für technische Anwendungen von großem Wert.
In dieser Arbeit wurden verschiedene HPMC-Dosierungen zementgebundenen Materialien beigemischt, um die Druckbarkeit von Mörtel zu verbessern. Die Auswirkungen der HPMC-Dosierung auf die Eigenschaften des 3D-Druckmörtels wurden umfassend anhand von Druckbarkeit, rheologischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der Bewertung wurde der mit der optimalen HPMC-Menge gemischte Mörtel für die Druckprüfung ausgewählt und die relevanten Parameter des gedruckten Objekts getestet. Durch die Untersuchung der mikroskopischen Morphologie der Probe wurde der interne Mechanismus der Leistungsentwicklung des Druckmaterials erforscht. Gleichzeitig wurde ein 3D-druckbares zementgebundenes Material entwickelt. Es wurde eine umfassende Bewertungsmethode für die Druckbarkeit entwickelt, um die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bauwesen zu fördern.
Veröffentlichungsdatum: 27. September 2022