Opracowanie materiału na bazie spoiw o obniżonym śladzie węglowym o odpowiednich właściwościach reologicznych umożliwiających drukowanie prefabrykowanych elementów budowlanych metodą addytywną
Opracowanie materiału na bazie spoiw o obniżonym śladzie węglowym o odpowiednich właściwościach reologicznych umożliwiających drukowanie prefabrykowanych elementów budowlanych metodą addytywną
Opracowanie materiału na bazie spoiw o obniżonym śladzie węglowym o odpowiednich właściwościach reologicznych umożliwiających drukowanie prefabrykowanych elementów budowlanych metodą addytywną
Variant of the title
Development of a binder-based material with reduced carbon footprint and suitable rheological properties to printing of prefabricated building components
Author
Maroszek, Marcin
Promoter
dr hab. inż. Marek Hebda, prof. PK
dr hab. inż. Izabela Hager, prof. PK
Release date
2025
Date of defense
25.03.2026
Language
Polish
Comments
Praca zrealizowana w ramach programu Doktorat Wdrożeniowy, umowa DWD/5/0237/2021. Partner przemysłowy doktoratu - ATMAT Sp. z o.o.
concrete, 3D printing, recycling, carbon footprint, prefabrication
Abstract
Rosnące zapotrzebowanie na beton oraz presja redukcji emisji z energochłonnej produkcji cementu portlandzkiego stymulują rozwój rozwiązań niskoemisyjnych. Jednym z nich jest druk 3D z betonu (3DCP), który skraca czas realizacji, ogranicza odpady i umożliwia wytwarzanie złożonej geometrii, lecz zwykle opiera się na mieszankach o wysokim śladzie węglowym. Celem pracy było opracowanie materiału przystosowanego do technologii 3DCP oraz ocena modyfikacji z użyciem surowców wtórnych pod kątem efektów środowiskowych i użytkowych. Rezultatem było opracowanie mieszanki bazowej oraz parametrów druku zapewniających wysoką powtarzalność procesu wytwarzania. Analiza wpływu procesu drukowania na parametry mechaniczne i fizyczne wykazała, że elementy drukowane charakteryzowały się niższą wytrzymałością niż próbki formowane konwencjonalnie, z wyraźną anizotropią wytrzymałości na zginanie, nasilającą się przy wydłużonych przerwach międzywarstwowych. Zaprojektowane geometrie przegród zwiększały izolacyjność poprzez kontrolę udziału i rozmieszczenia materiału nośnego. Zastosowane modyfikacje materiałowe z udziałem surowców z recyklingu utrzymały odpowiednią drukowalność, lecz obniżały parametry mechaniczne. Lekkie kruszywa zmniejszyły przewodność cieplną do ok. 70% wartości referencyjnej. Przeprowadzone modyfikacje materiałowe obniżyły ślad węglowy do ok. 50% względem mieszanki bazowej. Z badań wynika, że technologicznie możliwe jest wytwarzanie prefabrykatów 3DCP z udziałem surowców wtórnych, co sprzyja dekarbonizacji. Konieczne jest jednak uwzględnienie spadku nośności i anizotropii oraz dostosowanie parametrów procesu i składu do funkcji elementu (nośny/izolacyjny).
Rising demand for concrete and pressure to reduce emissions from the energy-intensive production of Portland cement are driving the development of low-carbon solutions. One such approach is concrete 3D printing (3DCP), which shortens delivery times, reduces waste, and enables the fabrication of complex geometries, yet typically relies on mixes with a high carbon footprint. This study aimed to develop a material tailored to 3DCP and to assess modifications incorporating secondary raw materials with respect to environmental and performance outcomes. The outcome was a base mix and printing parameters that ensured high repeatability of the manufacturing process. Analysis of the printing process effects on mechanical and physical properties showed that printed elements exhibited lower strength than conventionally cast specimens, with pronounced anisotropy of flexural strength that increased with longer interlayer intervals. Designed partition geometries enhanced insulation by controlling the volume fraction and spatial distribution of the load-bearing material. Material modifications incorporating recycled constituents maintained adequate printability but reduced mechanical performance. Lightweight aggregates reduced thermal conductivity to approximately 70% of the reference value. The implemented material modifications lowered the carbon footprint to roughly 50% relative to the base mix. The findings indicate that producing 3DCP precast elements with secondary raw materials is technologically feasible and supports decarbonization. However, the decrease in load-bearing capacity and the resulting anisotropy must be taken into account, and both process parameters and mix design should be tuned to the element’s intended function (structural vs. insulating).
