Diseño de morteros ligeros para impresión 3D

Abstract

La aplicación del hormigón impreso en 3D en el sector de la construcción presenta claras ventajas, como la reducción de la mano de obra, el aumento de la productividad y la disminución de las emisiones de CO₂, gracias a la optimización del diseño y la reducción del desperdicio de material. Sin embargo, las investigaciones actuales consideran el uso mayoritario de cemento Portland en las mezclas, lo que implica un elevado contenido de clínker, que a su vez genera un impacto ambiental significativo. Por este motivo, resulta de especial interés el estudio de mezclas para impresión 3D con altos porcentajes de adiciones, como los cementos CEM III, CEM IV y CEM V. El uso de estos tipos de cementos implica la modificación de las propiedades de las mezclas, especialmente a edades iniciales, por lo que resulta de interés realizar un estudio para analizar este aspecto. El objetivo de esta investigación es desarrollar mezclas de mortero para impresión 3D a partir de CEM III, incorporando aditivos que mejoren propiedades clave del hormigón en estado fresco, como la extrusionabilidad, la fluidez y la edificabilidad, esenciales para su aplicación en esta tecnología. En una primera etapa, se evaluaron cuatro aditivos utilizando CEM I, con el fin de elaborar mezclas de referencia y establecer la relación agua/cemento óptima. Esta aproximación se llevó a cabo mediante el ensayo de asentamiento (mini-slump), priorizando la reducción del contenido de cemento y adoptando un enfoque orientado a la sostenibilidad. A partir de estos resultados preliminares, se realizaron los ensayos de asentamiento, escurrimiento y determinación del tiempo de fraguado con mezclas formuladas con el cemento tipo CEM III. Finalmente, con las composiciones seleccionadas, se efectuó una prueba de impresión para evaluar su viabilidad en procesos de fabricación mediante impresión 3D.

The application of 3D-printed concrete in the construction sector offers clear advantages, such as reduced labor demand, increased productivity, and lower CO₂ emissions, thanks to design optimization and reduced material waste. However, current research largely focuses on the use of Portland cement in mixtures, which entails a high clinker content and, consequently, a significant environmental impact. For this reason, the study of mixtures for 3D printing with high proportions of supplementary cementitious materials, such as CEM III, CEM IV, and CEM V cements, is of particular interest. The use of these cement types involves modifications to the properties of the mixtures, especially at early ages, which makes it relevant to investigate this aspect. The objective of this research is to develop mortar mixtures for 3D printing based on CEM III, incorporating admixtures that enhance key fresh-state properties of concrete, such as extrudability, flowability, and buildability, essential for its application in this technology. In the first stage, four admixtures were evaluated using CEM I, in order to produce reference mixtures and establish the optimal water-to-cement ratio. This approach was carried out through the mini-slump test, prioritizing the reduction of cement content and adopting a sustainability-oriented perspective. Based on these preliminary results, mini-slump, flow table, and setting time tests were conducted with mixtures formulated using CEM III cement. Finally, with the selected compositions, a printing test was performed to assess their feasibility in 3D printing manufacturing processes.