L'effet de différents dosages d'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) sur l'imprimabilité, les propriétés rhéologiques et mécaniques d'un mortier pour impression 3D a permis de déterminer le dosage optimal d'HPMC et d'analyser son mécanisme d'influence en lien avec la morphologie microscopique. Les résultats montrent que la fluidité du mortier diminue avec l'augmentation de la teneur en HPMC, ce qui réduit son extrudabilité. En revanche, sa capacité à conserver sa fluidité, son extrudabilité, son taux de maintien de forme et sa résistance à la pénétration sous son propre poids augmentent significativement avec la teneur en HPMC, améliorant ainsi l'empilabilité et prolongeant le temps d'impression. Du point de vue rhéologique, l'augmentation de la teneur en HPMC entraîne une augmentation significative de la viscosité apparente, de la contrainte seuil et de la viscosité plastique de la suspension, améliorant également l'empilabilité. Enfin, la thixotropie augmente puis diminue avec la teneur en HPMC, améliorant l'imprimabilité. Une teneur trop élevée en HPMC augmentera la porosité du mortier et diminuera sa résistance. Il est recommandé que la teneur en HPMC ne dépasse pas 0,20 %.
Ces dernières années, la technologie d'impression 3D (également appelée « fabrication additive ») a connu un développement rapide et s'est largement répandue dans de nombreux domaines tels que le génie biologique, l'aérospatiale et la création artistique. Le procédé sans moule de l'impression 3D a considérablement amélioré les matériaux et la flexibilité de conception structurelle. Sa méthode de construction automatisée permet non seulement de réaliser d'importantes économies de main-d'œuvre, mais aussi de réaliser des projets de construction dans des environnements difficiles. L'association de l'impression 3D et du secteur de la construction est innovante et prometteuse. Actuellement, les procédés d'impression 3D représentatifs pour les matériaux à base de ciment sont l'extrusion-empilement (incluant le façonnage de contours) et l'impression de béton par collage de poudre (procédé en forme de D). L'extrusion-empilement présente l'avantage d'être peu différente du moulage de béton traditionnel, d'offrir une grande flexibilité pour la fabrication de pièces de grande taille et de réduire les coûts de construction. Cet avantage en fait un axe de recherche majeur dans le domaine de l'impression 3D des matériaux à base de ciment.
Les matériaux à base de ciment utilisés comme « encres » pour l'impression 3D présentent des exigences de performance différentes de celles des matériaux à base de ciment classiques : d'une part, leur maniabilité à l'état frais doit être garantie, et le processus de fabrication doit permettre une extrusion fluide. D'autre part, le matériau extrudé doit être empilable, c'est-à-dire qu'il ne doit pas s'affaisser ni se déformer significativement sous son propre poids et la pression de la couche supérieure. De plus, le processus de stratification de l'impression 3D crée des interfaces entre les couches, et afin d'assurer de bonnes propriétés mécaniques, les matériaux de construction imprimés en 3D doivent également présenter une bonne adhérence. En résumé, la conception doit concilier extrudabilité, empilabilité et forte adhérence. Les matériaux à base de ciment constituent un prérequis à l'application de la technologie d'impression 3D dans le domaine de la construction. L'ajustement du processus d'hydratation et des propriétés rhéologiques des matériaux cimentaires représente deux leviers importants pour améliorer les performances d'impression. L'ajustement du processus d'hydratation des matériaux cimentaires est difficile à mettre en œuvre et peut facilement engendrer des problèmes tels que le colmatage des canalisations. La régulation des propriétés rhéologiques est nécessaire pour maintenir la fluidité pendant l'impression et la vitesse de structuration après moulage par extrusion. Dans les recherches actuelles, des modificateurs de viscosité, des ajouts minéraux, des nanoargiles, etc., sont fréquemment utilisés pour ajuster les propriétés rhéologiques des matériaux à base de ciment et ainsi obtenir de meilleures performances d'impression.
L'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) est un épaississant polymère couramment utilisé. Les liaisons hydroxyle et éther de sa chaîne moléculaire peuvent se lier à l'eau libre par liaisons hydrogène. Son incorporation dans le béton améliore efficacement sa cohésion et sa rétention d'eau. Actuellement, les recherches sur l'effet de l'HPMC sur les propriétés des matériaux cimentaires se concentrent principalement sur son influence sur la fluidité, la rétention d'eau et la rhéologie. Peu d'études ont porté sur les propriétés des matériaux cimentaires imprimables en 3D (telles que l'extrudabilité et l'empilabilité). De plus, en raison du manque de normes uniformes pour l'impression 3D, aucune méthode d'évaluation de l'imprimabilité des matériaux cimentaires n'a encore été établie. L'empilabilité du matériau est évaluée par le nombre de couches imprimables présentant une déformation significative ou par la hauteur d'impression maximale. Ces méthodes d'évaluation sont toutefois sujettes à une forte subjectivité, peu universelles et complexes à mettre en œuvre. Une méthode d'évaluation des performances plus performante présente un fort potentiel et une grande valeur pour les applications d'ingénierie.
Dans cet article, différents dosages d'HPMC ont été incorporés à des matériaux à base de ciment afin d'améliorer l'imprimabilité du mortier. L'influence du dosage d'HPMC sur les propriétés du mortier pour l'impression 3D a été évaluée de manière exhaustive par l'étude de l'imprimabilité, des propriétés rhéologiques et mécaniques. À partir de propriétés telles que la fluidité, le mortier contenant la quantité optimale d'HPMC a été sélectionné pour une validation d'impression, et les paramètres pertinents de l'objet imprimé ont été mesurés. L'étude de la morphologie microscopique de l'échantillon a permis d'explorer le mécanisme interne de l'évolution des performances du matériau d'impression. Parallèlement, une méthode d'évaluation complète des performances d'impression 3D a été mise au point pour un matériau à base de ciment destiné à l'impression 3D, afin de promouvoir l'application de la technologie d'impression 3D dans le secteur de la construction.
Date de publication : 27 septembre 2022