DIGITAL CONCRETE: NUOVI MATERIALI A BASE CEMETIZIA PER LA STAMPA 3D

The research activity presented in this thesis focuses on the study of new cement-based materials that can be used for digital concrete applications, i.e. 3D printing. In fact, a series of innovative mix designs, suitable for robotic extrusion processes, have been tested with possible applications ranging from non-structural purpose fields (lightweight conglomerates) to structural ones with reference, in the latter case, to good and excellent mechanical performances. In the non-structural field, there are many advantages of using lightweight cementitious mixtures with foam, as the air bubbles incorporated in the cementitious matrix give to the finished products various important qualities, including lightness, thermal insulation, fire resistance and cost-effectiveness. In the thesis, the fracture behavior and mechanical characteristics of "ecosustainable" foamed concrete with the addition of a waste product (biochar) are investigated. As regards the structural field, the experimental investigations presented start from the study of a mix design of a traditional mortar of which, after a careful study of the mechanical and rheological characteristics, a "printable" version is proposed, the printable version is characterized by rheological properties that allow its applicability to the 3D printing process. Finally, to complete the research activity, the experimental campaign was extended also to the development of mix design of high-performance cement pastes (HPC), managing to obtain new formulations, always with "green" characteristics, given by the presence of biochar, with important mechanical performance and suitable for 3D printing applications.

L’attività di ricerca presentata in questa tesi verte sullo studio di nuovi materiali, a base cementizia, utilizzabili per applicazioni di digital concrete, ovvero di stampa 3D. Si sono, infatti, testati una serie di innovativi mix design da potersi impiegare in processi robotizzati di estrusione, che spaziano da campi di applicazione non strutturali (conglomerati alleggeriti), a quelli strutturali con riferimento, in quest’ultimo caso, a prestazioni meccaniche buone ed eccellenti. Nel campo non strutturale, molteplici sono i vantaggi dell’utilizzo di miscele cementizie alleggerite con schiuma, in quanto le bolle d’aria inglobate nella matrice cementizia conferiscono ai prodotti finiti diverse importanti qualità, tra cui leggerezza, isolamento termico, resistenza al fuoco, economicità. Nel lavoro di tesi vengono investigati il comportamento a frattura e le caratteristiche meccaniche di calcestruzzi schiumati “eco-sostenibili” con aggiunta di un prodotto di scarto: il biochar. Per quanto riguarda il campo strutturale, le indagini sperimentali presentate, partono dallo studio di un mix design di una malta tradizionale di cui, dopo un attento studio delle caratteristiche meccaniche e reologiche, viene proposta una versione “stampabile”, caratterizzata cioè da proprietà reologiche che ne permettano l’applicabilità al processo di stampa 3D. Infine, per completare l’attività di ricerca, si è voluto estendere la sperimentazione anche a mix design di paste cementizie ad alte prestazioni (HPC), riuscendo ad ottenere delle nuove formulazioni, sempre con caratteristiche “green”, vista la presenza del biochar, dalle rilevanti prestazioni meccaniche e adatte alla stampa 3D.