Development and performance assessment of 3D-printable portland cement and geopolymer mortars for hostile environments

[SPA] Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y evaluación del rendimiento de morteros de geopolímero y cemento Portland imprimibles en 3D cuya formulación está basada en materiales disponibles localmente en regiones escandinavas. Debido a las duras condiciones ambientales de la región, los morteros fueron diseñados para exhibir una alta resistencia a ambientes hostiles. Este proyecto surge de la colaboración entre Østfold University College (Noruega) y la Universidad Politécnica de Cartagena (España) en el lado académico, con la cooperación industrial de la empresa Cementos La Cruz (España). En primer lugar, se desarrollaron morteros de geopolímeros de dos componentes utilizando escoria granulada de alto horno molida (GGBFS, por sus siglas en inglés), cenizas volantes (FA, por sus siglas en inglés) y relaves de mina (MT, por sus siglas en inglés) para aplicaciones de impresión de hormigón 3D a escala de laboratorio (3DCP). Para investigar el efecto de la composición del aglutinante sobre las propiedades del mortero, se formularon dos series de morteros: uno basado en GGBFS y FA, y el otro en GGBFS y MT. Los resultados indicaron que los morteros elaborados con GGBFS y MT exhibieron mayor resistencia mecánica. Sin embargo, su estabilidad de forma y edificabilidad fueron inferiores a las de los morteros que incorporaban GGBFS y FA. Además, se evaluó el impacto de la adición de fibra de basalto (BF, por sus siglas en inglés) en el rendimiento del mortero, incorporándose BF en concentraciones de 0, 0,5 y 1,0% del peso total del mortero. La trabajabilidad y la edificabilidad se redujeron con la concentración de BF, mientras que la estabilidad de la forma permaneció casi sin verse afectada. Se observaron tendencias interesantes en las resistencias mecánicas de los morteros. Para morteros basados en GGBFS y FA, tanto la resistencia a la compresión como a la flexión aumentaron con concentraciones más altas de BF. Por el contrario, los morteros que incorporan GGBFS y MT como aglomerantes mostraron una disminución en la resistencia mecánica al aumentar la concentración de BF. Esto resalta la influencia significativa de la composición del aglutinante en el comportamiento de unión fibra-matriz. El examen microestructural mediante imágenes SEM reveló una desunión de fibras más pronunciada en los morteros basados en GGBFS y MT, lo que podría explicar la reducción de resistencia observada con concentraciones de fibra más altas. El comportamiento óptimo se obtuvo para el mortero GGBFS y FA reforzado con 0,5% BF. Se investigó el efecto de los agentes modificadores de la viscosidad (VMA, por sus siglas en inglés) sobre el rendimiento de morteros de cemento Portland imprimibles en 3D para 3DCP a gran escala. Se incorporaron a los morteros VMA derivados de celulosa, incluida la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y dos tipos de celulosa microfibrilada (MFC) en forma de suspensión y pasta. Según los resultados de los ensayos, el tipo de VMA no influyó en la trabajabilidad, cinética de hidratación ni resistencia mecánica de los morteros. Sin embargo, los morteros formulados con MFC exhibieron un mayor límite elástico y viscosidad aparente que aquellos con HPMC, lo que indica el impacto del tipo VMA en el comportamiento reológico de los morteros. El mortero que incorpora HPMC mostró una edificabilidad ligeramente superior en comparación con el mortero que contiene MFC. Sin embargo, se observó una deformación excesiva de la forma en las capas inferiores del molde, lo que indica una estabilidad de forma inferior en comparación con el mortero con MFC. El MFC en forma de pasta demostró un potencial significativo como VMA para aplicaciones de impresión de hormigón en 3D. En la fase final del proyecto, se desarrollaron morteros de cemento Portland con diferentes materiales de relleno y morteros de escoria activada con polvo de horno de cal (LKD, por sus siglas en inglés) formulados con un activador alcalino derivado de residuos para 3DCP a gran escala. Se incorporaron tres materiales de relleno diferentes (GGBFS, FA y MT) a los morteros de cemento Portland para comparar su comportamiento. Para los morteros de geopolímero, se utilizó GGBFS como precursor y se activó mediante LKD. Uno de los morteros de escoria activada por LKD utilizó arena natural como agregado, denominado en adelante GL, mientras que el otro utilizó agregado de hormigón reciclado (RCA), denominado en adelante GLR, haciendo que éste último esté compuesto enteramente de desechos y materiales reciclados. Entre los morteros de cemento Portland, el que contenía GGBFS como material de relleno demostró la mayor resistencia mecánica y límite elástico. Sin embargo, el mortero GLR exhibió la mayor edificabilidad y estabilidad dimensional entre todos los morteros estudiados. La durabilidad de los morteros se evaluó sometiéndolos a temperaturas elevadas y ataque ácido. El mortero de cemento Portland que incorpora GGBFS exhibió la mayor resistencia mecánica residual después de la exposición a temperaturas elevadas y al ataque con ácido. Sin embargo, el mortero GL demostró la menor reducción de resistencia después del ataque con ácido, lo que lo convierte en el más resistente a los ácidos entre todos los morteros probados, a pesar de no tener la mayor resistencia residual. Además, la resistencia mecánica de las muestras impresas en 3D dependía de la dirección de la carga, lo que indica un comportamiento anisotrópico. Esto puede deberse a diferentes niveles de compactación en las direcciones horizontal y vertical y a una superposición insuficiente entre capas adyacentes. Las muestras impresas en 3D mostraron una menor resistencia mecánica en comparación con las moldeadas, lo que se puede atribuir a la falta de compactación y a una mayor pérdida de humedad durante la impresión. Además, la reducción de la resistencia después de la exposición al ataque ácido fue más significativa en las muestras impresas en 3D, lo que puede atribuirse a la mayor porosidad y presencia de microfisuras, como confirmó el análisis SEM.[ENG] This Ph.D. thesis focuses on the development and performance evaluation of 3D-printable Portland cement and geopolymer mortars formulated with locally available materials from the Scandinavian region. Given the harsh environmental conditions of the region, the mortars were designed to exhibit high resistance to hostile environments. This project was a collaborative effort between Østfold University College in Norway and the Technical University of Cartagena in Spain on the academic side, with industrial cooperation from Cementos La Cruz Company in Spain. Firstly, two-part geopolymer mortars were developed using ground granulated blast furnace slag (GGBFS), fly ash (FA), and mine tailings (MT) for lab-scale 3D concrete printing (3DCP) applications. To investigate the effect of binder composition on the mortar properties, two series of mortars were formulated: one based on GGBFS and FA, and the other on GGBFS and MT. The results indicated that mortars made with GGBFS and MT exhibited higher mechanical strength; however, their shape stability and buildability were inferior to those of the mortars incorporating GGBFS and FA. Additionally, the impact of basalt fiber (BF) addition on mortar performance was evaluated, with BF incorporated at concentrations of 0, 0.5, and 1.0% of the total mortar weight. The workability and buildability were reduced with BF concentration, while shape stability remained almost unaffected. Interesting trends were observed in the mechanical strengths of the mortars. For mortars based on GGBFS and FA, both compressive and flexural strengths increased with higher BF concentrations. In contrast, mortars incorporating GGBFS and MT as binders exhibited a decrease in mechanical strength with increasing BF concentration. This highlights the considerable influence of binder composition on fiber-matrix bonding behavior. Microstructural examination using SEM imaging revealed more pronounced fiber debonding in the mortars based on GGBFS and MT, which could account for the observed strength reduction with higher fiber concentrations. The optimal performance was obtained for the GGBFS and FA mortar reinforced with 0.5% BF. The effect of viscosity-modifying agents (VMAs) on the performance of 3D-printable Portland cement mortars for large-scale 3DCP was investigated. Cellulose-derivative VMAs, including hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) and two types of microfibrillated cellulose (MFC) in suspension and paste forms, were incorporated into the mortars. Based on the test results, the type of VMA did not influence the workability, hydration kinetics, or mechanical strength of the mortars. However, the mortars formulated with MFC exhibited a higher yield stress and apparent viscosity than those with HPMC, indicating the impact of VMA type on the rheological behavior of the mortars. The mortar incorporating HPMC showed a slightly superior buildability compared to the MFC-containing counterpart. However, excessive shape deformation was observed in the bottom layers of the former, indicating inferior shape stability compared to the mortar with MFC. The MFC in paste form demonstrated significant potential as VMA for applications in 3D concrete printing. In the final phase of the project, Portland cement mortars with different filler materials and lime kiln dust (LKD)-activated slag mortars formulated with a waste-derived alkali activator were developed for large-scale 3DCP. Three different filler materials—GGBFS, FA, and MT—were incorporated into the Portland cement mortars to compare their performance. For the alkali-activated mortars, GGBFS was used as the precursor and activated by LKD. One of the LKD-activated slag mortars used natural sand as the aggregate, referred to as GL hereafter, while the other utilized recycled concrete aggregate (RCA), referred to as GLR hereafter, making the latter entirely composed of waste and recycled materials. Among the Portland cement mortars, the one containing GGBFS as a filler material demonstrated the highest mechanical strength and yield stress. However, the GLR mortar exhibited the highest buildability and shape stability among all the mortars studied. The durability of the mortars was assessed by subjecting them to elevated temperatures and acid attack. The Portland cement mortar incorporating GGBFS exhibited the highest residual mechanical strength after both elevated temperature exposure and acid attack. However, the GL mortar demonstrated the lowest reduction in strength following acid attack, making it the most acid-resistant among all the mortars tested, despite not having the highest residual strength. Moreover, the mechanical strength of the 3D-printed samples depended on the direction of loading, signaling an anisotropic behavior. This can stem from different levels of compaction in the horizontal and vertical directions, and insufficient overlap between adjacent layers. The 3D-printed samples showed a lower mechanical strength compared to the mold-cast ones, which is attributable to the lack of compaction and higher loss of moisture during printing. In addition, the strength reduction after exposure to acid attack was more significant in the 3D-printed samples, which can be ascribed to the higher porosity and presence of micro-cracks, as confirmed by the SEM analysis.

Author

• Shoaei, Parham

• Mortero de cemento
• Mortero de geopolímero
• Impresión 3D
• Sosteniblidad.

Identifier

hdl:10317/17240

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/17240