Forscher entwickeln neuartigen kalzinierten Zement auf Tonbasis für den 3D-Druck

Ein Forscherteam der Technischen Universität Delft hat einen neuen, kalzinierten Zement auf Tonbasis für den 3D-Extrusionsdruck entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichem Zement weist die neuartige keramische Masse eine erhöhte Fließfähigkeit, eine verbesserte Verformbarkeit und verbesserte Feuchtigkeitseigenschaften auf – alles entscheidende Voraussetzungen für eine präzise Extrusion.

3D-Druck mit Beton ist noch ein Nischenbereich, aber mittlerweile spezialisieren sich immer mehr Unternehmen auf diese Sparte. Neben den 3D-Druckern ist auch das Material sehr wichtig. Die Qualität des Zements wirkt sich stark auf die gebauten Strukturen aus. 3D-druckbare Mischungen müssen eine konstante Fließfähigkeit und niedrige Zähflüssigkeit aufweisen, d.h. sie sollten mit einer konstanten Geschwindigkeit extrudieren und nach dem Abbinden an Ort und Stelle bleiben. Ansonsten weisen die Konstrukte Schwächen auf.

Kalzinierter Zement auf Tonbasis

Um eine Zementmischung mit überlegenen mechanischen und Druckeigenschaften zu entwickeln, nahmen die Forscher kalzinierten Ton unter die Lupe. Dieser Ton wird in einem Ofen bei 850°C über einen längeren Zeitraum gebrannt. Er ist bekannt für seine ausgezeichnete Druckfestigkeit und Kosteneffizienz, was ihn zu einer sehr attraktiven Alternative zu Standardbeton macht.

Im Rahmen der Studie wurde mit zwei verschiedenen Qualitäten von kalziniertem Ton experimentiert, hochgradig (95% Metakaolingehalt) und niedriggradig (50% Metakaolingehalt). Die beiden Sorten wurden in unterschiedlichen Anteilen mit Portlandzement gemischt und mit einer in einem Universitätslabor aufgestellten maßgeschneiderten Extrusionsanlage gedruckt.

Interessanterweise fand das Team heraus, dass die Erhöhung des hochwertigen Gehalts von 0 Gew.-% auf 50 Gew.-% die Fließkonsistenz maximiert und gleichzeitig die Formbeständigkeit der Mischung erhöht. Diese Verbesserung der Verbaubarkeit wurde auf die Verringerung des mittleren Abstands zwischen den Partikeln als Folge des höheren Gehalts an kalziniertem Ton zurückgeführt. Dies war jedoch mit Kosten verbunden, da die gedruckte Probe nach einem Zeitraum von sieben Tagen eine schwächere Druckfestigkeit aufwies. Die Forscher glauben nun, dass sie die Formel so fein abstimmen können, dass die Druckbarkeit ohne Festigkeitseinbußen maximiert wird.

Die komplette Studie unter dem Titel “Effect of different grade levels of calcined clays on fresh and hardened properties of ternary-blended cementitious materials for 3D printing” kann hier nachgelesen werden.