Der Einfluss von Hydroxypropylmethylcellulose auf die Eigenschaften von 3D-Druckmörtel

Durch Untersuchung der Wirkung verschiedener Dosierungen von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) auf die Druckbarkeit, die rheologischen und die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckmörtel wurde die geeignete HPMC-Dosierung diskutiert und ihr Einflussmechanismus in Verbindung mit der mikroskopischen Morphologie analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fließfähigkeit des Mörtels mit zunehmendem HPMC-Gehalt abnimmt, d. h. die Extrudierbarkeit nimmt mit zunehmendem HPMC-Gehalt ab, aber die Fähigkeit zur Beibehaltung der Fließfähigkeit verbessert sich. Extrudierbarkeit, Formbeständigkeit und Penetrationswiderstand unter Eigengewicht nehmen mit zunehmendem HPMC-Gehalt deutlich zu, d. h. mit zunehmendem HPMC-Gehalt verbessert sich die Stapelbarkeit und die Druckzeit verlängert sich; aus rheologischer Sicht nehmen mit zunehmendem HPMC-Gehalt die scheinbare Viskosität, die Fließgrenze und die plastische Viskosität des Schlickers deutlich zu, und die Stapelbarkeit verbessert sich; die Thixotropie nimmt mit zunehmendem HPMC-Gehalt zunächst zu und dann ab, und die Druckbarkeit verbessert sich; Der HPMC-Gehalt ist zu hoch, was zu einer Erhöhung der Porosität und Festigkeit des Mörtels führt. Es wird empfohlen, dass der HPMC-Gehalt 0,20 % nicht überschreitet.

In den letzten Jahren hat sich die Technologie des 3D-Drucks (auch als „additive Fertigung“ bezeichnet) rasant entwickelt und wird in vielen Bereichen breit eingesetzt, beispielsweise in der Biotechnik, der Luft- und Raumfahrt und im künstlerischen Schaffen. Der formlose Prozess der 3D-Drucktechnologie hat die Material- und Strukturflexibilität erheblich verbessert, und die automatisierte Baumethode spart nicht nur erheblich Arbeitskräfte, sondern eignet sich auch für Bauprojekte in unterschiedlichsten rauen Umgebungen. Die Kombination aus 3D-Drucktechnologie und Bauwesen ist innovativ und vielversprechend. Repräsentative Verfahren zum 3D-Druck von zementbasierten Materialien sind derzeit das Extrusionsstapelverfahren (einschließlich des Konturherstellungsverfahrens) und das Betondruck- und Pulverbindungsverfahren (D-Shape-Verfahren). Unter diesen hat das Extrusionsstapelverfahren den Vorteil, dass es sich kaum vom herkömmlichen Betongussverfahren unterscheidet und große Komponenten problemlos hergestellt werden können und die Baukosten niedrig sind. Diese Vorteile sind zu den wichtigsten Forschungsschwerpunkten der 3D-Drucktechnologie für zementbasierte Materialien geworden.

Die Leistungsanforderungen für zementbasierte Materialien, die als „Tintenmaterialien“ für den 3D-Druck verwendet werden, unterscheiden sich von denen herkömmlicher zementbasierter Materialien: Zum einen müssen frisch gemischte zementbasierte Materialien bestimmte Anforderungen an ihre Verarbeitbarkeit erfüllen, und der Bauprozess muss eine reibungslose Extrusion gewährleisten. Zum anderen muss das extrudierte zementbasierte Material stapelbar sein, d. h. es darf unter dem Eigengewicht und dem Druck der oberen Schicht nicht kollabieren oder sich wesentlich verformen. Der Laminierungsprozess des 3D-Drucks sorgt zudem dafür, dass die Schichten zwischen den Schichten gut haften. Um gute mechanische Eigenschaften im Grenzflächenbereich zwischen den Schichten zu gewährleisten, sollten die 3D-Druck-Baumaterialien auch eine gute Haftung aufweisen. Kurz gesagt: Das Design muss Extrudierbarkeit, Stapelbarkeit und hohe Haftung gleichzeitig gewährleisten. Zementbasierte Materialien sind eine der Voraussetzungen für die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bauwesen. Die Anpassung des Hydratationsprozesses und der rheologischen Eigenschaften zementbasierter Materialien sind zwei wichtige Maßnahmen zur Verbesserung der Druckleistung. Die Anpassung des Hydratationsprozesses von zementartigen Materialien ist schwierig umzusetzen und kann leicht zu Problemen wie Rohrverstopfungen führen. Die Regulierung der rheologischen Eigenschaften muss die Fließfähigkeit während des Druckvorgangs und die Strukturierungsgeschwindigkeit nach dem Extrusionsformen aufrechterhalten. In der aktuellen Forschung werden häufig Viskositätsmodifikatoren, mineralische Zusatzstoffe, Nanotone usw. verwendet, um die rheologischen Eigenschaften von zementbasierten Materialien anzupassen und so eine bessere Druckleistung zu erzielen.

Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) ist ein gängiges Polymerverdickungsmittel. Die Hydroxyl- und Etherbindungen der Molekülkette können über Wasserstoffbrücken mit freiem Wasser verbunden werden. Die Einarbeitung in Beton kann dessen Kohäsion und Wasserrückhaltevermögen wirksam verbessern. Die Forschung zum Einfluss von HPMC auf die Eigenschaften zementbasierter Materialien konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf deren Einfluss auf Fließfähigkeit, Wasserrückhaltevermögen und Rheologie. Die Eigenschaften von zementbasierten Materialien für den 3D-Druck (wie Extrudierbarkeit, Stapelbarkeit usw.) wurden hingegen kaum erforscht. Aufgrund fehlender einheitlicher Standards für den 3D-Druck gibt es zudem noch keine etablierte Methode zur Bewertung der Druckbarkeit zementbasierter Materialien. Die Stapelbarkeit des Materials wird anhand der Anzahl der druckbaren Schichten mit signifikanter Verformung oder der maximalen Druckhöhe bewertet. Die oben genannten Bewertungsmethoden sind stark subjektiv, wenig allgemeingültig und aufwendig. Die Methode zur Leistungsbewertung bietet großes Potenzial und ist in der technischen Anwendung von großem Nutzen.

In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Dosierungen von HPMC in zementbasierte Materialien eingebracht, um die Druckbarkeit von Mörtel zu verbessern. Die Auswirkungen der HPMC-Dosierung auf die Eigenschaften von 3D-Druckmörtel wurden anhand von Druckbarkeit, rheologischen und mechanischen Eigenschaften umfassend bewertet. Basierend auf Eigenschaften wie Fließfähigkeit wurde der mit der optimalen HPMC-Menge gemischte Mörtel zur Drucküberprüfung ausgewählt und die relevanten Parameter des Druckobjekts getestet. Basierend auf der Untersuchung der mikroskopischen Morphologie der Probe wurde der interne Mechanismus der Leistungsentwicklung des Druckmaterials erforscht. Gleichzeitig wurde das 3D-Druckmaterial auf Zementbasis etabliert. Eine umfassende Bewertungsmethode für die Druckleistung soll die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bauwesen fördern.