Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting

Trabajo realizado por: Miguel Palomares Garcia Dirigido por: Eduardo Galeote Moreno Albert de la Fuente Antequera Grado en: Ingeniería de Obras Públicas Barcelona, Junio de 2021 TRABAJO FINAL DE GRADO Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting v Agradecimientos Miguel Palomares Garcia Agradecimientos En primer lugar agradecer a mis padres, Carlos Ramón Palomares Bueno y Luisa María Garcia Ortega, el apoyo incondicional y cariño que me han brindado en todo momento, nunca dudaron que lograría alcanzar esta meta y por eso hicieron todo lo posible para que sucediese. Esfuerzo, dedicación y lucha son valores que me inculcaron desde pequeño, valores indispensables para finalizar con éxito mi formación académica. A mis tutores, Eduardo Galeote Moreno y Albert De La Fuente Antequera, por la oportunidad de realizar esta tesis que, junto a los conocimientos compartidos, la ayuda brindada y el trato extraordinario, tanto profesional como personal, hicieron de este trabajo final de grado una experiencia completa. A mi familia, que nunca dejó de darme el cariño que necesitaba para seguir adelante. A amigos y compañeros por haber compartido conmigo momentos únicos y experiencias que han hecho que esta etapa sea inigualable e inolvidable. Por último agradecer eternamente a mis abuelos todo el amor que me dieron siempre, soñaba con que llegase el día para poder decirles que lo había logrado, pero, a pesar de no poder cumplirlo, estoy seguro que estarán orgullosos de mi viéndome desde el cielo. vi Agradecimientos Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting vii Abstract Miguel Palomares Garcia Abstract 3D printing is a new additive manufacturing technology in which a three-dimensional object is created from overlapping layers of material. This development has generated an important revolution in the world and is currently in continuous development due to the characteristics and advantages it offers compared to conventional manufacturing methods. In the field of construction and more specific in 3D printing with concrete, the benefits that this technology can offer are very wide. In this sense, it is worth highlighting the saving in time and manufacturing costs, as well as the geometries of the elements that can be manufactured. Therefore, the investigation of this new manufacturing technology is in great interest, in order to obtain materials and printing systems that allow the development of efficient alternatives for concrete constructions. Due to the differences that 3D printing presents with conventional concrete manufacturing, it is necessary to adapt cementitious materials to the new technology. Accordingly, new materials that are compatible with the new manufacturing system must be investigated, as well as their properties should be analyzed, in order to determine their mechanical capabilities for their potential uses in structural elements. Thus, this final degree project aims to analyze the properties of two materials for 3D printing aimed at their use under Contour Crafting manufacturing technology. The analysis of these materials has been carried out in two phases: mechanical characterization of the material and study of structural elements. The mechanical characterization has been based on the extraction of cores from beams manufactured specifically for this purpose. For the study of structural elements, walls and beams have been used, which have been tested for both bending and compression stresses. The results of the characterization studies of the material and the structural elements have shown the behavior of the two materials studied. Furthermore, an anisotropy has been observed in the mechanical behavior of the material in different directions that is due to the presence of joining surfaces between printing layers. These results allow to evaluate the effectiveness and efficiency of this new printing technology, as well as obtaining results that allow taking into account the expected behavior of printed elements. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting viii Abstract ix Resumen Miguel Palomares Garcia Resumen La impresión 3D es una nueva tecnología de fabricación por adición en la cual un objeto en tres dimensiones se crea a partir de la superposición de capas de material. Este desarrollo ha generado una importante revolución en el mundo y actualmente se encuentra en continuo desarrollo debido a las características y ventajas que ofrece respecto a métodos de fabricación convencionales. En el ámbito de la construcción y en particular en la impresión 3D con hormigón los beneficios que esta tecnología puede ofrecer son muy amplios. En este sentido, cabe destacar el ahorro de tiempo y, costes de fabricación, así como las geometrías de los elementos que pueden llegar a fabricarse. Es por ello que resulta de gran interés la investigación de esta nueva tecnología de fabricación con el fin de obtener materiales y sistemas de impresión que permitan el desarrollo de alternativas eficientes de construcciones de hormigón. Debido a las diferencias que presenta la impresión 3D con la fabricación convencional de hormigón, es necesario adaptar los materiales cementicios a la nueva tecnología. En consecuencia, deben investigarse nuevos materiales que sean compatibles con el nuevo sistema de fabricación, así como analizar sus propiedades para determinar sus capacidades mecánicas para su potencial usos en elementos estructurales. Así, este trabajo de final de grado tiene como objetivo analizar las propiedades de dos materiales para impresión 3D orientados a su utilización bajo la tecnología de fabricación Contour Crafting. El análisis de estos materiales se ha realizado en dos fases: caracterización mecánica del material y estudio de elementos estructurales. La caracterización mecánica se ha basado en la extracción de testigos de vigas fabricadas específicamente para tal fin. Para el estudio de elementos estructurales se han utilizado muros y vigas, elementos que se han ensayado a flexión y compresión. Los resultados de los estudios de caracterización del material y los elementos estructurales han mostrado el comportamiento de los dos materiales estudiados. Asimismo, se ha observado una anisotropía en el comportamiento mecánico del material en las distintas direcciones debido a la presencia de superficies de unión entre capas de impresión. Estos resultados permiten evaluar la eficacia y eficiencia de esta nueva tecnología de impresión, así como obtener resultados que permitan tener en cuenta el comportamiento esperable de elementos impresos. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting xvi Listado de tablas 1 Introducción Miguel Palomares Garcia CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Prólogo La impresión 3D ha desarrollado un crecimiento exponencial en los últimos años debido a su carácter innovador y elevada proyección de futuro. Tales aspectos hacen que sea potencialmente útil en diversos sectores, dado que permite la simplificación de procesos de fabricación y permite una amplia diversidad de materiales para su utilización. Las ventajas que ofrece incluyendo la reducción de costes y la mayor accesibilidad provocan que dicha tecnología sea objeto de estudio y de análisis en el ámbito de la construcción. En algunas industrias la fabricación aditiva ya es una realidad pero la práctica diaria parece aún lejos. Esto puede deberse al hecho de que la industria de la construcción es un sector complejo ya que se oponen desafíos técnicos, económicos y sociales que deben superarse para dar acceso a todas las oportunidades que la impresión 3D puede ofrecer. El hormigón 3D ha revolucionado el sector de la construcción gracias a su capacidad de construcción de forma libre y automática. Tiene claras ventajas respecto al método de construcción convencional, produce una fabricación más eficiente, mano de obra reducida, y una menor producción de residuos. El potencial de la automatización, eliminación de encofrados, precisión en la geometría junto al desarrollo de grandes técnicas de fabricación aditiva ha permitido abordar los desafíos actuales de la industria de la construcción aplicándose en muchos proyectos de investigación en laboratorios. Los principales métodos de impresión 3D son Contour Crafting, Concrete Printing y D-Shape y todos ellos logran fabricar con hormigón 3D sin ningún tipo de encofrado. La fabricación aditiva puede optimizarse mediante la selección de materiales y aditivos y los parámetros de impresión como la separación y velocidad de la boquilla de extrusión. Con este propósito, el presente proyecto tiene como finalidad conocer más a fondo como esta nueva tecnología puede ayudar y a su vez facilitar los procesos en varios ámbitos al sector de la construcción. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 2 Introducción 1.2 Objetivos 1.2.2 Objetivos generales En el ámbito de la construcción, la impresión 3D en hormigón es una nueva tecnología con prometedoras aplicaciones constructivas y estructurales. No obstante, es necesario el estudio de materiales de modo que se alcancen las resistencias suficientes que permitan su utilización cumpliendo los requisitos de seguridad necesarios establecidos en las normativas actuales para hormigón estructural. Esta adaptación del método de impresión 3D a la fabricación de hormigón convencional se debe a la ausencia de normativas reguladoras específicas para el uso de hormigón mediante impresión 3D. En este sentido, la fabricación de objetos tridimensionales mediante capas sucesivas de material es una técnica ágil que permite crear con gran libertad diseños de piezas y elementos estructurales que mediante una fabricación convencional resultarían de un mayor grado de complejidad. De tal manera, se realiza el estudio de la anisotropía del material con el fin de evaluar el comportamiento en las distintas direcciones. En este sentido, es importante realizar una caracterización de las propiedades mecánicas del material de modo que sus propiedades mecánicas puedan ser empleadas en los cálculos de elementos estructurales. Por otro lado, el ensayo de elementos estructurales permite determinar el comportamiento real de dichos elementos y comprobar su desempeño bajo situaciones límite. Así, el trabajo a realizar consta principalmente de una caracterización mecánica de dos materiales, sus diferencias y el ensayo de distintos elementos a escala real. 1.2.3 Objetivos específicos Para alcanzar los objetivos generales planteados en esta tesina, es necesario realizar una caracterización del material y ensayos estructurales impresos en hormigón 3D. Para ello se realiza un análisis en el que se determinan las propiedades mecánicas de dos materiales cementicios diferentes con los que se han fabricados los distintos elementos a ensayar. Todo ello marca el objetivo de este estudio, analizar cómo se comportan estos materiales compuestos cuando son ensayados a compresión y flexión. Posteriormente se evalúan sus características mecánicas para extraer una comparativa de cómo trabajan los elementos fabricados con impresión 3D a diferencia de los resultados convencionales que se obtienen de un hormigón de fabricación tradicional. Los ensayos sobre los elementos prefabricados se han resuelto en 3 direcciones para cada uno de ellos ya que la impresión se realiza mediante capas sucesivas de material. Las probetas de los elementos estructurales son extraídas tanto en la dirección transversal, longitudinal y vertical para un posterior análisis y su pertinente comprobación para concluir con unos resultados que indicarán sobre qué dirección trabaja mejor la estructura. En la Tabla 1 se detalla los objetivos específicos planteados de acuerdo a las dos fases de estudio, en las que se considera el estudio mecánico del material y el análisis de elementos estructurales. 3 Introducción Miguel Palomares Garcia Tabla 1. Objetivos Fases de estudio Objetivo Caracterización mecánica de materiales  Determinación de las propiedades mecánicas  Análisis de la isotropía  Ensayos de módulo de elasticidad  Cálculo de densidad Ensayos estructurales  Comportamiento a flexión de muros  Comportamiento a compresión de muros  Comportamiento a flexión de vigas 1.3 Estructura del documento Para la consecución de estos objetivos, la metodología seguida en la elaboración de este documento ha sido la siguiente:  En el Capítulo 1 se describe el contexto, la motivación y necesidad del trabajo, sus objetivos y la metodología llevada a cabo para su realización.  En el Capítulo 2, estado del arte, se presenta una investigación documental sobre la tecnología de impresión 3D, en particular sobre la impresión de hormigón y poniendo especial atención en las técnicas que existen para esta fabricación. Se hace especial mención en la tecnología Contour Crafting, dado que es el método que se ha utilizado para fabricar los elementos analizados en esta tesis.  En el Capítulo 3 se describe la campaña experimental, incluyendo la planificación, los materiales empleados, la fabricación de elementos y los ensayos realizados.  En el Capítulo 4 se muestran los resultados obtenidos en la campaña experimental. Los resultados se indican de acuerdo con las dos fases de estudio realizadas: caracterización de materiales y ensayos en elementos estructurales. Los resultados se analizan y se describe el comportamiento de los materiales y los elementos estructurales de acuerdo con las características propias del hormigón impreso.  Por último, en el Capítulo 5 se muestran las conclusiones obtenidas que se derivan de la ejecución de este trabajo y las recomendaciones sugeridas para futuros estudios. En él se da respuesta a los objetivos planteados al inicio del presente capítulo y se indican posibles futuras líneas de investigación a seguir de acuerdo al expresado en este documento. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 4 Introducción Figura 1. Estructura del documento 1.4 Motivación personal Promovido por la proyección de futuro que puede tener la tecnología 3D y en particular el hormigón 3D, esta tesis ha sido escogida por ser un tema que posee un gran potencial aún sin descubrir ni estudiar en profundidad. Pudiendo llamar futuro a lo que ya es el presente, el sector de la construcción necesita evolucionar y adaptarse a las nuevas tecnologías emergentes que han llegado para mejorar y optimizar el trabajo que se efectúa en toda construcción. La impresión tridimensional de materiales cementicios posee muchas propiedades innovadoras que proporcionan una fabricación libre y autónoma caracterizada por la reducción de costes, por una construcción más rápida y con la posibilidad fabricar diseños complejos. Impulsado a querer saber más y estudiar más a fondo este nuevo sistema de fabricación, se consideró que era una buena oportunidad aprovechar la realización de un trabajo final de grado para progresar e impulsar el desarrollo en los avances de un cambio en el sector de la construcción. 5 Estado del arte Miguel Palomares Garcia CAPÍTULO 2. Estado del arte 2.1 Introducción Para un proceso de investigación es necesaria la elaboración del estado de arte para afianzar la formulación del problema. Permite compartir la información, generar una demanda del conocimiento y establecer comparaciones con otros conocimientos paralelos, ofreciendo diferentes posibilidades de comprensión del problema tratado o por estudiar, debido a que posibilita múltiples alternativas en torno al estudio del tema. La impresión 3D es una tecnología conocida como fabricación por adición de material, se basa en la consecutiva superposición de capas en la cual se proyecta un objeto físico establecido a partir de un modelo digital. Permite crear todo tipo de figuras y diseños a partir de modelados ya sean piezas sencillas o de gran complejidad técnica. El método convencional establece un archivo aplicado a una impresora que, de manera autónoma, creará la figura en un tiempo determinado según la complejidad de la misma. Para ello será necesario el uso de software, hardware y de los materiales a imprimir donde trabajaran de forma conjunta para el completo proceso de esta tecnología. 2.2 Historia de la impresión 3D A pesar de parecer un sistema muy reciente, la impresión 3D data del año 1976, cuando se creó la primera impresora de inyección de tinta. Si bien es cierto que una impresora de tinta no refleja exactamente el concepto de las tres dimensiones, esto fue la base para la cual junto a varios avances se consiguió adaptar este concepto para poder inyectar diferentes tipos de materiales. Años más tarde, el ingeniero físico Charles W. Hull inventó la estereolitografía. La estereolitografía es una tecnología láser que trabaja con resina líquida, esta resina es sensible a la luz ultravioleta de manera que un rayo láser perfila la superficie de este Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 6 Estado del arte material y lo endurece por polimerización. Tras este invento salió al mercado la primera máquina de impresión 3D estereolitográfica denominada con las siglas SLA, patentada y desarrollada por la empresa de este ingeniero, 3D Systems Inc. Con esta patente se diseñó el formato de archivo Stereo Litography (STL) el cual en la actualidad es conocido como el más determinante para definir el software de la impresión tridimensional. Este proviene inicialmente de un modelado diseñado por ordenador para el cual la impresora utiliza como guía para crear el objeto deseado. El formato de software más utilizado para el modelado de las piezas es el CAD y la unión de este formato de archivo junto al STL es todo lo que la impresora necesita para convertir la geometría tridimensional virtual en un objeto real. Gracias a la impresión 3D se han producido grandes avances tecnológicos para la creación de piezas industriales de gran complejidad pero en particular tiene una gran influencia en el mundo de la medicina. A priori parece poco real que una tecnología de este estilo pueda trabajar en el área de la biología, pero con técnicas de impresión 3D, las células y distintos materiales biomédicos se combinan para ser depositados capa por capa siguiendo el mismo método convencional. 2.3 Tecnologías de impresión 3D Existe un gran número de métodos para la impresión 3D, se diferencian en la manera la cual el material es depositado en capas para crear las piezas. Podrían resumirse y definirse con más claridad según el tipo, ya sean, por fotopolimerización, extrusión, granulado, hilado o laminado. De entre todas las tecnologías existentes se destacan las más utilizadas y a su vez las más conocidas [2]. 2.3.1 Fabricación de filamento fusionado (FFF) Este método pertenece al tipo de tecnología por extrusión, es también conocida como modelado por deposición fundida. Es el más utilizado en la actualidad para el modelado de piezas de pequeño tamaño. Funciona inicialmente con un archivo STL previamente diseñado por software, este está dividido en sucesivas capas para las que el hardware de la impresora deberá seguir y depositando en ellas el material. La impresora utiliza plásticos como material principal, que se calientan y se extruden por la boquilla de la máquina. El material es depositado en una base previamente calentada; tanto la boquilla como la base deberán estar a una determinada temperatura que marque el fabricante del material para que pueda ser fundido y bien colocado en la base para una perfecta adhesión entre capas. Una vez terminado el proceso de creación del objeto, se enfría la base donde se ha posicionado la pieza para poder retirarla con total facilidad ya que si ésta está aún a temperatura de impresión será difícil su extracción y es posible dañarla. Se representa esquemáticamente este proceso en la Figura 2. 7 Estado del arte Miguel Palomares Garcia Figura 2. Fabricación de filamento fusionado 2.3.2 Estereolitografía (SLA) Para esta técnica el material utilizado es una resina que mediante rayos UV se consigue su curado y endurecimiento durante la impresión sucesiva capa a capa. Pertenece al tipo de impresión por fotopolimerización. Como ya se mencionó anteriormente fue creado por Charles W. Hull y es considerado uno de los mayores avances en la tecnología de impresión 3D ya que tal y como se patentó así sigue funcionando en la actualidad. El mecanismo de esta técnica funciona gracias a una lámina que deposita una fina capa de resina y seguidamente es expuesta a la luz ultravioleta que solidifica el material como muestra la Figura 3; de manera consecutiva se sigue este proceso ya que la plataforma sobre la cual reposa el material desciende el equivalente al grosor de cada capa para poder proseguir con el proceso de impresión. Cuando el objeto tridimensional haya terminado de crearse se debe sumergir la pieza en una solución química para retirar el exceso de material y de manera continua someterla a un último curado en un horno de rayos UV. Figura 3. Estereolitografía Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 8 Estado del arte 2.3.3 Sinterización selectiva láser (SSL) Esta técnica utiliza la temperatura de un láser de CO2 que permite imprimir por capas a través de polvos fusionados. El funcionamiento de esta tecnología representada en la Figura 4 se basa en la deposición de la capa de polvo sobre la base de construcción y esta se calienta por debajo de la temperatura de fusión del material; generalmente el material más utilizado para ello son polímeros plásticos. Seguidamente se produce la sinterización de las partículas del polvo utilizado mediante el escaneo del láser que provoca dicha fusión. Para la superposición de la siguiente capa, la base reduce la altura y nuevamente se renueva el proceso de recubrimiento del material. Cuando se ha obtenido el objeto deseado y la construcción ha terminado debe dejarse enfriar la pieza y proceder a su limpieza ya que el resultado está recubierto de polvo. Dicho proceso de limpieza es de larga duración, en torno a unas 12 horas, dependiendo de la complejidad y tamaño del producto. La limpieza se realiza normalmente mediante aire comprimido, con lo que es un proceso sencillo de realizar. Figura 4. Sinterización selectiva láser 2.4 Hormigón 3D Extrapolando todo el concepto de la impresión 3D convencional, el sector de la construcción ha aplicado la impresión tridimensional en el material más destacado: el hormigón. Estas técnicas se han englobado en un término denominado construcción aditiva, que define la creación de estructuras de hormigón mediante la superposición de capas a partir de datos de modelado 3D; substituyendo la fabricación sustractiva tradicional. Este innovador concepto se encuentra en auge y su utilización proyecta un gran potencial ya que permite crear elementos estructurales funcionales sin necesidad de herramientas adicionales, lo que causa la reducción económica del proceso. Diferenciando en el tiempo el concepto de fabricación aditiva y construcción aditiva, la fabricación apareció entorno a los años 80 y su desarrollado en el área de la construcción no llegó mucho más tarde. La primera construcción en 3D empezó en 1995, Joseph Pegna invento un método que mezclaba arena y cemento que mediante vapor se unía el material en capas como bien define lo propio de la técnica aditiva, a pesar de este prometedor avance, no se consiguió nunca demostrar. 9 Estado del arte Miguel Palomares Garcia Ese mismo año apareció la técnica por excelencia hasta el momento en construcción, Behrokh Khoshnevis patentó el Contour Crafting [3], inicialmente dicho método e utilizaba para la extrusión de piezas de material cerámico. Años más tarde justo en el cambio de siglo, este ingeniero industrial de la Universidad del Sur de California; quien posee además más de cien patentes en el campo de la robótica, quiso aplicar el Contour Crafting en el mundo de la construcción [4]. 2.5 Técnicas de hormigón 3D El desarrollo y avances en tecnología durante el paso de los años han facilitado la invención de distintas técnicas de fabricación de hormigón 3D. Si bien es cierto que todas estas técnicas se encuentran en fase de iniciación, ya se ha logrado un amplio estudio sobre estas novedosas construcciones. Son tres las más determinantes técnicas para la fabricación aditiva, Contour Crafting, Concrete printing y D-Shape [5]. En la Tabla 2 se muestra un resumen de los parámetros principales asociados a dichas técnicas de fabricación. Tabla 2. Resumen técnicas de hormigón 3D Contour Crafting Concrete Printing D-Shape Material Hormigón Hormigón Hormigón Proceso Extrusión Extrusión Enlace selectivo Calidad de impresión Baja Baja Alta Grosor de capa 13 mm 9-20 mm 4-6 mm Diámetro de boquilla 15 mm 9-20 mm 0,15 mm Velocidad de impresión Rápida Lenta Lenta Dimensiones de impresión Gran escala Limitada Limitada 2.5.1 Contour Crafting Mención destacada anteriormente, esta técnica se basa en la fabricación por capas de material, inicialmente materiales cerámicos, poliméricos entre otros para la construcción de elementos a gran escala. Los materiales son extruidos por una boquilla y depositándolos creando la geometría deseada. Estas boquillas están formadas por una serie de paletas metálicas que dejan fluir o retraen el material controlando el flujo para una precisa deposición capa a capa. Su base se centra en una estructura, ya sea un pórtico que mediante componentes robóticos controlan el movimiento del extrusor y se posicionan combinando la acción de los tres ejes disponibles para proyectar la geometría deseada. La técnica de impresión de Contour Crafting puede observarse en la Figura 5. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 16 Estado del arte 17 Campaña experimental Miguel Palomares Garcia CAPÍTULO 3. Campaña experimental 3.1 Introducción La campaña experimental describe los ensayos realizados para la caracterización del hormigón impreso en 3D mediante la técnica del Contour Crafting. Se divide en dos fases: (I) caracterización del material de fabricación y (II) determinación del comportamiento estructural de las piezas prefabricadas. En ambas fases se han utilizado dos materiales de distinta procedencia con el fin de comparar su comportamiento y determinar sus propiedades mecánicas y desempeño estructural. En la Fase I se ha determinado la granulometría de morteros en ambos hormigones para conocer la distribución de tamaños. Posteriormente, se han extraído testigos de vigas fabricadas en hormigón 3D mediante el método de Contour Crafting. A través de los testigos obtenidos de las vigas, se realizan los ensayos de caracterización para ambos materiales. En la Fase II se realiza el estudio del comportamiento estructural de muros y vigas, sobre los que se realizan ensayos a compresión y flexión para determinar la capacidad estructural de cada uno. Con ello, se comprueba el comportamiento del material en distintas tipologías estructurales sometiéndolo a distintas configuraciones de carga. 3.2 Fase I: Caracterización del material La Fase I de la campaña experimental tiene como objetivo determinar las propiedades mecánicas de los dos materiales utilizados a través de los ensayos clásicos de caracterización. Un resumen de cada una de las técnicas realizadas en esta fase se muestra en la Tabla 3. La descripción detallada de la extracción de testigos y los ensayos realizados se describen en los siguientes apartados. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 18 Campaña experimental Tabla 3. Técnicas realizadas Técnica Descripción Granulometría  Determinar la distribución de los componentes que forman el mortero Extracción de probetas  Obtener testigos de las vigas prefabricadas de ambos materiales Refrentado de probetas  Conseguir el paralelismo entre las caras opuestas de los testigos cilíndricos Determinación de la densidad  Comprobar la relación entre la densidad y la resistencia del material Ensayo de compresión  Determinar la resistencia del material ante un esfuerzo de compresión Ensayo de módulo de elasticidad  Determinar la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria del material ante un esfuerzo Ensayo de tracción indirecta  Determinar la resistencia a tracción del material 3.2.1 Granulometría Los materiales proporcionados son morteros secos formados por una mezcla de áridos y cemento. En consecuencia, la granulometría no se basa solamente en la determinación de la distribución del tamaño de áridos, sino de la mezcla completa de mortero seco que ya incluye cemento. A pesar de que no se utilizan únicamente áridos se utiliza la normativa como referencia para el procedimiento del ensayo, dado que se realiza un trabajo de investigación esto permite ser flexibles y variar los métodos. La granulometría se realiza siguiendo las indicaciones de la normativa UNE-EN 12620 utilizando tamices clasificados según su abertura. Para ello, se coloca la muestra en el tamiz de mayor tamaño y se deja pasar la muestra por los distintos niveles ordenados de mayor a menor, quedando retenida la fracción de mortero según el tamaño de abertura de la malla del tamiz. La cantidad retenida en el fondo hermético situado tras el último tamiz recibirá la fracción de partículas inferiores al tamiz con abertura 0,063 mm. En la Figura 13a se observa los distintos tamices utilizados con sus respectivas aberturas y el fondo hermético. Figura 13. a) Tamices y fondo hermético b) Columna de tamices a) b) b) 19 Campaña experimental Miguel Palomares Garcia Para realizar el procedimiento primero es necesario un secado del mortero en horno durante 24 horas a una temperatura de 60°, tras lo que se deposita la muestra de mortero a analizar en el tamiz superior (de abertura 4mm) de la columna de tamices ensamblados (Figura 13b). Mediante una sucesión de suaves sacudidas el mortero desciende por las mallas reteniendo en cada una de ellas el tamaño correspondiente. Una vez terminado, se separa cada porción retenida y se pesa; la suma de cada una de las cantidades anotadas refleja el porcentaje retenido en cada tamiz. Finalmente se obtiene la pérdida de muestra durante el ensayo calculando la diferencia entre el peso total al inicio y el peso total resultante de la suma de las cantidades retenidas. 3.2.2 Extracción de testigos El objetivo principal de la extracción de testigos es la obtención de probetas con las que caracterizar el comportamiento de los materiales para un posterior análisis. Con ello, es posible comparar las propiedades de los dos materiales utilizados y su comportamiento mecánico tras la fabricación de elementos bajo las mismas condiciones. La fabricación de las vigas varía según la dirección de impresión con la que se ha configurado el archivo digital, es decir, puede realizar movimientos sucesivos para la deposición del material combinando movimientos en los tres ejes (x, y, z). La extrusión puede realizarse en un mismo plano en la dirección paralela al ancho o largo de la viga. Los elementos prefabricados proporcionados tienen la geometría de una viga estructural convencional y provienen de dos materiales de fabricación diferentes; son nombrados como “Material 1” y “Material 2”. Del primer material existen 3 vigas (T1, T2, T3), dos impresas en la dirección paralela al lado largo (T1 y T2) y una impresa en la dirección paralela al ancho (T3). Para el “Material 2” hay una única viga impresa en la dirección paralela al largo de la misma (M1). Se observan claramente las direcciones de impresión a lo largo y a lo ancho en las Figuras 14 y 15 respectivamente. Figura 14. Dirección paralela al largo de la viga Figura 15. Dirección paralela al ancho de la viga Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 20 Campaña experimental Para la caracterización de los materiales utilizados se procede a realizar la extracción de los testigos mediante un taladro con una broca de diámetro 100 mm. Durante la extracción, el taladro expulsa agua para refrigerar la broca, en la práctica se eleva con una carretilla elevadora para una mejor trabajabilidad. La obtención de las probetas se realiza en tres direcciones según la orientación de fabricación. En el “Material 1” las probetas de las vigas T1 y T2 fabricadas según el lado largo se extraen en las direcciones transversal y vertical; y en la viga T3 fabricada según el lado ancho en las direcciones vertical y longitudinal. En el “Material 2” que constituye la viga M1 las muestras analizadas están únicamente extraídas en la dirección vertical dado el reducido perfil de las estructuras prefabricadas. Las diferentes direcciones para las vigas T1, T2 y T3 se pueden observar en las Figuras 16, 17 y 18. Figura 16. Viga T1 Figura 17. Viga T2 Figura 18. Viga T3 21 Campaña experimental Miguel Palomares Garcia La dirección vertical recae sobre las líneas de deposición del material, la dirección transversal actúa perforando la dirección de fabricación correspondiente y la dirección longitudinal es en la cara de la viga donde el eje de la boquilla gira durante la fabricación. A modo de una mejor explicación, se representan a continuación las Figuras 19 y 20 que esquematizan los ejes de la dirección de extracción según el plano de fabricación. Figura 19. Direcciones de extracción en viga fabricada a lo largo Figura 20. Dirección paralela al ancho de la viga 3.2.3 Refrentado de probetas cilíndricas de hormigón Los testigos obtenidos presentan unas dimensiones cilíndricas irregulares en las caras o con demasiada altura. En ese sentido, dado que las dimensiones estándar de las probetas son de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura ha sido necesario cortar los testigos utilizando una sierra de diamante para ajustar las dimensiones. En las vigas T2 y T3 se han obtenido testigos de 40 cm de altura, por lo que se ha realizado un único corte para la obtención de dos probetas por testigo. En la viga M1, los testigos obtenidos presentaban una altura de 250 mm, insuficiente para la obtención de dos testigos, por lo que se han realizado dos cortes descartando los extremos con el fin de obtener una única probeta de dimensiones 100 mm de diámetro por 200 mm de altura. En las probetas que presentan caras irregulares debido al efecto de las líneas de impresión, se ha realizado un refrentado para obtener unas caras con superficies planas. Esto permite que durante los ensayos mecánicos, tales como compresión o determinación del módulo de elasticidad, exista una superficie completa de contacto con el plato de carga. De este modo, la transmisión de carga de la prensa a la probeta se realiza de manera uniforme en toda la superficie de la probeta. Para la realización del refrentado es necesario un recipiente para el calentamiento del mortero, que está compuesto de un 62% de azufre monolítico polvorizado, de un 36% de arena silícea de un tamaño entre 0,32 mm y 0,16 mm; y un 2% de negro de humo. La mezcla Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 22 Campaña experimental se calienta a una temperatura de 150 °C en un baño termostático con el fin de obtener una mezcla homogénea. También es necesario un dispositivo de refrentado (Figura 21b), formado por un plato de refrentado circular donde se vierte la mezcla y un mecanismo para asegurar la ortogonalidad del testigo, todo ello fabricado de un material inerte al mortero. El equipo completo para realizar esta técnica se visualiza en la Figura 21a. Figura 21. a) Equipo completo y b) Dispositivo de refrentado El dispositivo de refrentado debe estar perfectamente limpio y engrasado, se vierte el mortero en el plato de refrentado y se coloca la probeta sobre la mezcla procurando que esté perfectamente colocada y alineada con el eje del propio dispositivo para que el refrentado quede totalmente plano y alineado con el testigo. Pasados unos segundos el mortero solidifica y cuidadosamente se retira la probeta del dispositivo de refrentado. En la Figura 22 que refleja el resultado de los testigos refrentados y los testigos cortados y/o pulidos. Figura 22. Testigos refrentados, cortados o pulidos a) b) 23 Campaña experimental Miguel Palomares Garcia 3.2.4 Determinación de la densidad Una vez realizadas las extracciones de los testigos y el refrentado de las mismas se determinan las densidades de cada probeta separando “Material 1” de “Material 2”. Para ello, se pesan las probetas en la báscula y se miden tanto el diámetro como la altura de cada una con la ayuda de un pie de rey como se muestra en la Figura 23. Con el fin de tener en cuenta las posibles irregularidades de la probeta, cada diámetro y altura se ha medido en tres planos diferentes, obteniendo así un valor promedio de altura y diámetro. Figura 23. Medición de los testigos El cálculo de la densidad se determina a través de la Ecuación 1, donde Ds es la densidad seca del hormigón endurecido (g/cm3), Ms es la masa seca de la probeta (g) y V es el volumen de la probeta (cm3). 𝐷𝑠=𝑀𝑠 𝑉 (Ec. 1) 3.2.5 Ensayo de compresión El ensayo a compresión sobre hormigón endurecido se ha realizado en base a las instrucciones de la normativa UNE-EN 12390-3:2020. La normativa establece un diámetro mínimo de 100 mm y una esbeltez (relación altura-diámetro) de 2, por tanto los testigos ensayados son de 200 mm de altura para cumplir esta especificación. El ensayo se ha realizado sobre un mínimo de tres testigos sobre cada dirección y material obtenido. La prensa es un modelo MEH-3000 de la marca Ibertest, formada de 4 columnas que pueden controlar la fuerza, mediante 2 escalas de 600 kN y de 3000 kN. El equipo permite 3 entradas de datos con un valor de tensión de entre ± 10 V. El equipo aplica una carga de compresión a velocidad constante de 0,5 MPa/s hasta rotura, registrándose la curva de carga y la resistencia máxima que alcanza. Ambos materiales 1 y 2 se agrupan en los resultados del ensayo a compresión y se busca la comparación entre ellos. La Figura 24a representa el ensayo a compresión antes de rotura y Figura 24b la después de la ejecución del ensayo. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 24 Campaña experimental Figura 24. a) Antes de rotura y b) Después de rotura 3.2.6 Ensayo de módulo de elasticidad El módulo de elasticidad es un parámetro del material para la obtención de la curva tensióndeformación, necesaria para el diseño de estructuras. Dado que el hormigón 3D tiene propiedades diferentes al hormigón convencional es necesario desarrollar nuevas curvas constitutivas que recojan las particularidades de este material. Los testigos se someten a ciclos de carga y descarga en la rama elástica del material para obtener los valores del módulo de elasticidad. Para llevar a cabo este ensayo primero debe determinarse la resistencia a compresión, dado que este valor predefine los parámetros a utilizar tanto de carga máxima como de carga inicial y así mismo establecer los tres ciclos de carga que se aplican a los testigos. El ensayo de módulo de elasticidad se realiza siguiendo la norma UNE-EN 12390-13:2014 y permite la determinación del módulo inicial que resulta durante el primer ciclo de carga y otro medido tras tres ciclos de carga, el módulo estabilizado. El equipo utilizado es el mismo que en el ensayo de compresión, aunque en este caso con la distintiva que el software está configurado para la obtención del módulo de elasticidad. Asimismo, se utilizan unos transductores de desplazamiento lineal variable (LVDT) que miden el desplazamiento lineal en la dirección de la carga tal y como se observa en la Figura 25. El módulo de elasticidad se determina en la rama elástica del hormigón, por lo que la carga máxima a aplicar se limita al 30% de la resistencia a compresión obtenida de los testigos previamente ensayados. Figura 25. Ensayo de módulo de elasticidad a) b) 25 Campaña experimental Miguel Palomares Garcia La configuración de ensayo consiste en dos anillos metálicos rodeando la probeta y situados a una tercera parte de la altura del testigo. En los anillos se instalan tres LVDT, conectados directamente al equipo mientras se aplica la carga en la prensa hidráulica para la adquisición de datos. 3.2.7 Ensayo de tracción indirecta Para terminar la primera fase se procedió a realizar el ensayo de tracción indirecta, cuyo objetivo es determinar la resistencia aplicando una carga de compresión uniforme a lo largo de la probeta que como consecuencia provoca un esfuerzo de tracción en el plano diametral y así mismo la fractura del elemento en la dirección vertical. El ensayo sigue las instrucciones de la norma UNE-EN 12390-6:2010 y se utiliza la misma prensa Ibertest MEH-3000 que para los ensayos de compresión y módulo de elasticidad. Para llevar a cabo este ensayo se utiliza un dispositivo para alinear los testigos que incluye dos bandas de apoyo de fibras prensadas y dos piezas de acero de carga. El dispositivo se sitúa centrado en la prensa y con el testigo en su interior, seguidamente se colocan cuidadosamente las bandas de apoyo y las piezas de carga que marcan el plano de carga de la probeta. Así mismo la Figura 26 representa como se realiza dicho ensayo. Figura 26. Ensayo de tracción indirecta Inicialmente se realiza una carga inicial que no debe superar el 20% de la carga de rotura y a continuación la carga va incrementándose a una velocidad que se calcula mediante la Ecuación 2, donde R es la velocidad de carga requerida (N/s), L es la longitud de la probeta (mm), d es la dimensión de la sección transversal de la probeta (mm) y s es el incremento de tensión (MPa/s). 𝑅 = 𝑠 ∗ 𝜋 ∗ 𝐿 ∗ 𝑑 2 (Ec. 2) Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 32 Análisis de resultados 4.2.1 Análisis granulométrico El análisis granulométrico de cada material se ha realizado tal y como se describe en la campaña experimental utilizando tamices que siguen la norma UNE clasificados desde 0,063 mm hasta 4 mm de abertura posterior a un secado de 24 horas para eliminar la humedad de la muestra. La muestra inicial del Material 1 es de 398,5 gramos y del Material 2 es de 400 gramos. La Tabla 5 muestra los resultados de los tamizados del Material 1 y Material 2. Tabla 5. Análisis granulométrico del Material 1 y Material 2 Tamaño fracción (mm) Material 1 Material 2 Retenido parcial (g) % Retenido % Pasa Retenido parcial (g) % Retenido % Pasa 4 0 0,0% 100,0% 0 0,0% 100,0% 2 14 3,6% 96,4% 1,5 0,4% 99,6% 1 31,5 8,0% 88,4% 85 21,5% 78,2% 0,5 157,5 40,1% 48,3% 87 22,0% 56,2% 0,25 51 13,0% 35,3% 98 24,7% 31,4% 0,125 111 28,3% 7,0% 69 17,4% 14,0% 0,063 9 2,3% 4,7% 37,5 9,5% 4,5% 0 18,5 4,7% 0,0% 18 4,5% 0,0% Total 392,5 100,0% 396 100,0% Material inicial 398,5 400 Diferencia 1,51% 1,00% Los resultados anteriores reflejan unas diferencias, por valor de 6 gramos (1,51%) en el Material 1 y de 4 gramos en el Material 2 (1%), entre el peso inicial de la muestra y el peso final tras realizar el ensayo debido a la pérdida de material durante el proceso. La Figura 33 muestra las curvas superpuestas de las distribuciones granulométricas del Material 1 y Material 2. 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0% 0,010,1110 Porcentaje que pasa [%] Tamaño [mm] Material 1 Material 2 Figura 33. Distribución granulométrica Material 1 y Material 2 33 Análisis de resultados Miguel Palomares Garcia La distribución granulométrica de ambos materiales refleja unas curvas similares, aun así el Material 2 es más lineal en cuanto a proporciones que pasan en cada uno de los tamices, mientras que el Material 1 acumula más diferencia de porcentaje por tamaño de composición. La Figura 34 muestra visualmente el reparto del tamizado resultante de la granulometría de los materiales. Figura 34. Reparto tamizado 4.2.2 Determinación de densidades Puesto que se busca un completo análisis del comportamiento estructural, se han extraído testigos considerando tres direcciones de impresión dependiendo de la dirección de extrusión del hormigón en cada viga. Nótese que en un elemento fabricado con hormigón convencional, el comportamiento del hormigón no depende de la dirección de hormigonado, por lo que la extracción de testigos puede realizarse en cualquier dirección dado que el material se encuentra homogéneamente repartido. Sin embargo, en el caso de una estructura realizada por extrusión el hormigón es depositado en capas, provocando una heterogeneidad de la estructura interna debida a la aparición de planos de adherencia. Tal deposición de capas y formación de planos de adherencia provoca la aparición de huecos entre líneas de impresión dado que la impresora realiza movimientos en el plano XY. Esto puede provocar que las líneas de impresión puedan no estar perfectamente unidas entre sí, especialmente en las zonas de las esquinas donde la boquilla de extrusión de la impresora gira para continuar con la siguiente línea. Por esta razón la determinación de densidades marca claras diferencias en los análisis del comportamiento mecánico del material. La aparición de huecos entre las líneas de impresión se puede visualizar en la Figura 35. Figura 35. Aparición de huecos en los testigos Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 34 Análisis de resultados Para la determinación de las densidades de cada probeta se han hecho tres mediciones de altura y diámetro de cada probeta con el fin de obtener un valor promedio. Esto permite obtener un valor más ajustado de las dimensiones del elemento y reducir el error dado que los testigos no son perfectamente cilíndricos. Tras medir las dimensiones de los testigos, éstos se pesan en una balanza, con lo que se determina la densidad del material. Esta determinación tiene como finalidad comprobar qué relación puede existir entre densidad y resistencia una vez se han realizado todos los ensayos, es decir, observar si hay testigos que a mayor densidad experimentan resistencias superiores. La Tabla 6 presenta un cálculo de promedio de densidades (ρc) y coeficiente de variación (CV) de los distintos testigos obtenidos para cada dirección de extracción y fabricación en las diferentes vigas y materiales. Tabla 6. Determinación de densidades Viga Dirección de fabricación Extracción Número de probetas ρc [kg/m3] CV (%) Viga T1 Lado largo Vertical 6 1616 0,89 Transversal 3 1614 0,58 Viga T2 Lado largo Vertical 6 1626 3,05 Transversal 6 1622 1,64 Viga T3 Lado ancho Vertical 6 1606 2,47 Longitudinal 12 1616 0,29 Viga M1 Lado largo Vertical 12 2017 0,19 A pesar de la presencia de distintas direcciones de impresión, la comparación de la densidad de ambos materiales puede hacerse de forma independiente de la dirección de extracción del testigo. En este sentido, se asume que la dirección de fabricación no influye en la densidad y que ésta únicamente responde a las características y propiedades del material y la mezcla utilizada. La densidad media estimada de los testigos fabricados con ambos materiales se muestra en la Figura 36. Figura 36. Media de densidades de ambos materiales Los resultados muestran un incremento de la densidad del Material 2 respecto al Material 1 de un 25%. Tal diferencia de densidad fue visible desde el momento de extracción de los testigos. En los testigos extraídos de las vigas fabricadas con Material 1 se observaron numerosos vacíos de material que no estaban presentes en los testigos extraídos en la viga fabricada con el Material 2. Varias imágenes (Figura 37) de los testigos de las vigas fabricadas con ambos materiales evidencian la presencia de dichos vacíos. 1617 2017 0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 Material 1 Material 2 Densidad [kg/m³] 35 Análisis de resultados Miguel Palomares Garcia Figura 37. a), b) y c) Testigos de vigas Material 1; d) Testigos viga Material 2 Estos resultados muestran la influencia del material y el proceso de fabricación en el resultado final de los elementos. En este sentido, se puede atribuir la presencia de vacíos en los elementos fabricados con Material 1 a una consistencia más seca del material en su salida por la boquilla. Esto provoca una menor adherencia entre capas y líneas de extrusión y la presencia de vacíos, formados según el esquema que se presenta en la Figura 38. Figura 38. Estructura de vacíos y líneas de extrusión La presencia de vacíos debilita la estructura del elemento, dada la imposibilidad de éstos de transmitir las tensiones de forma uniforme en el material. Este efecto repercute directamente en la resistencia a compresión del material. Una consistencia más fluida del material en su salida por la boquilla permitiría evitar la aparición de vacíos y conseguir una estructura interna más homogénea y compacta, densificando la estructura del material y mejorando la resistencia del elemento. 4.2.3 Caracterización mecánica del material Para completar la primera fase se han realizado los ensayos de compresión, módulo de elasticidad y tracción indirecta, asimismo se presentan los resultados obtenidos de cada uno de ellos agrupados en cada una de las vigas iniciales con la finalidad de analizar el comportamiento mecánico de ambos materiales según la dirección de fabricación. Este análisis permite comprobar que direcciones obtienen mayor resistencia frente a diferentes solicitaciones. La presentación de resultados para la caracterización mecánica está dividida por el tipo de ensayo con el objetivo de observar el comportamiento para la comparación de las diferentes direcciones de fabricación, las posiciones de extracción de los testigos y el material utilizado para cada viga. a) b) c) d) Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 36 Análisis de resultados Resistencia a compresión Del ensayo de compresión realizado en los testigos extraídos de las vigas se obtienen los resultados que muestran las Tablas 7 y 8. Los datos incluidos indican el promedio de las resistencias a compresión (fcm), el número de testigos ensayados, la dirección de fabricación y extracción de los testigos y el coeficiente de variación (CV) de las resistencias. Tabla 7. Resistencia a compresión Material 1 Viga Dirección de fabricación Extracción Número de probetas fcm [MPa] CV (%) Viga T1 Lado largo Vertical 6 12,4 16,7 Transversal 3 7,7 20,5 Viga T2 Lado largo Vertical 3 10,6 19,3 Transversal 3 11,9 22,0 Viga T3 Lado ancho Vertical 4 11,6 3,6 Longitudinal 6 12,7 12,9 Tabla 8. Resistencia a compresión Material 2 Viga Dirección de fabricación Extracción Número de probetas fcm [MPa] CV (%) Viga M1 Lado largo Vertical 8 24,7 10,4 Los resultados indican claras diferencias dependiendo del material ensayado. En este sentido, se observa que el Material 2 presenta unas resistencias más elevadas respecto a las obtenidas en el Material 1. Este efecto puede haberse producido por la diferencia de espacios entre las capas y líneas de impresión causados por la composición del material que probablemente tenga una mejor relación en la mezcla. Tal efecto se observa en la Figura 39, donde se muestra como los testigos del Material 1 presentan un mayor número de vacíos que los testigos de Material 2. Asimismo, se observa cómo el Material 1 experimenta su fractura justo por la línea que forman los vacíos mientras que el Material 2 rompe de una manera más destructiva y sin seguir ningún patrón por el que poder fracturar ya que sus testigos no poseen huecos apreciables. Figura 39. Rotura por compresión Respecto al Material 1, la dirección de fabricación a lo ancho de la viga y con la extracción en posición longitudinal es la que obtiene mayor resistencia con 12,7 MPa, por el contrario la dirección de fabricación a lo ancho y extracción transversal es la que obtiene menores resultados con tan solo 7,7 MPa. a) b) c) d) 37 Análisis de resultados Miguel Palomares Garcia Se puede comprobar como la dirección de extracción vertical es ligeramente superior en resultados y esto puede ser debido a que al realizar las compresiones en esta dirección aporta mayor resistencia al actuar sobre las capas superpuestas. Asimismo, la dirección de extracción transversal obtiene valores ligeramente inferiores debido a que al realizar en ensayo se comprime la unión entre capas y al haber huecos disminuye la adherencia y por tanto la resistencia disminuye también. El coeficiente de variación corrobora este resultado ya que son las direcciones transversales las que obtienen un resultado de 21,3% y refleja cómo esta dirección es más dispersa que el resto. La dirección longitudinal obtiene valores más altos debido a que están posicionada hacia los giros de las líneas de capa, al producirse esto se acumula más material y reduce la probabilidad de huecos y por este motivo sus valores tienden a ser más elevados. Módulo de elasticidad El ensayo de módulo de elasticidad determina los resultados de las Tablas 9 y 10. La tabla indica el promedio de módulos de elasticidad (Ecm) por el número de probetas y su dirección de extracción y fabricación junto con la variabilidad (CV) de dichos parámetros en el ensayo. Tabla 9. Módulo de elasticidad Material 1 Viga Dirección de fabricación Extracción Número de probetas Ecm [MPa] CV (%) Viga T1 Lado largo Vertical 3 8568 5,7 Transversal - - - Viga T2 Lado largo Vertical 3 9908 14,7 Transversal 3 9472 3,5 Viga T3 Lado ancho Vertical 3 10337 17,2 Longitudinal 6 10911 2,00 Tabla 10. Módulo de elasticidad Material 2 Viga Dirección de fabricación Extracción Número de probetas Ecm [MPa] CV (%) Viga M1 Lado largo Vertical 5 22776 5,6 El módulo de elasticidad obtiene unos resultados claramente diferenciados entre ambos materiales, siendo el Material 2 el que posee mayor módulo por valor de 22776 MPa y su respectiva variabilidad del 5,6% que denota que los valores siguen todos unos valores cercanos entre ellos. De la misma manera que en el ensayo a compresión afecta claramente la diferencia de huecos que existe entre en los testigos y la composición del material. Asimismo la dirección de fabricación en el lado largo con posición de extracción vertical en el Material 1 es la que obtiene menores resultados, con una diferencia de un 237% superior respecto a las mismas características en el Material 2. Respecto a las direcciones de extracción existentes los valores más altos coinciden en dirección de fabricación y extracción que los resultados de las resistencias a compresión, es decir, posición vertical y longitudinal. Aun así sorprende que esta relación no es cierta en la para la dirección vertical de la viga T1, ya que obtiene los valores más bajos de módulos con 8568 MPa. Esto probablemente es debido a que de los seis ensayos a compresión primero se realizó tres de ellos para marcar el límite de resistencia a aplicar en el ensayo de módulo Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 38 Análisis de resultados de elasticidad, cabe pensar que este valor no fuese del todo preciso dado que se necesitaba hacer primero los ensayos de módulo de elasticidad antes de llevar a colapso las otras tres probetas en el ensayo de compresión. Este hecho ha podido provocar variaciones en los resultados y así lo refleja el valor medio obtenido. Tracción indirecta Y los resultados del ensayo a tracción indirecta realizado únicamente de la viga M1 se muestran en la Tabla 11. Los datos incluidos indican el promedio de la resistencia a tracción indirecta (fcti) del número de testigos junto con la variabilidad (CV) de dichos parámetros en el ensayo. Tabla 11. Resistencias a tracción indirecta Probeta fcti [MPa] M1 M3 M4 M11 1,9 2,9 2,1 2,3 Promedio CV 2,3 17,2% Los resultados muestran una resistencia mínima en los testigos de 1,9 MPa y una resistencia máxima de 2,9 MPa, con un promedio general de la resistencia a tracción indirecta determinada entre todos los testigos ensayados de 2,3 MPa y un coeficiente de variabilidad de 17,2%. Los resultados se encuentran en el orden de un 10% de la resistencia de compresión, y se sitúan en el rango habitual de la resistencia a tracción respecto de la resistencia a compresión. 4.3 Fase II. Caracterización de elementos estructurales Con el fin de conocer el comportamiento del material en elementos a escala real, se han analizado los resultados de los ensayos estructurales para determinar las potenciales aplicaciones y elementos que se pueden construir con este sistema de impresión. Los elementos ensayados en laboratorio son geométricamente sencillos para conocer la capacidad de carga y la respuesta del tipo de material en un elemento impreso. Los elementos fabricados (muros y vigas) se han sometido a cargas de flexión y compresión bajo una configuración de ensayo específica para cada uno de ellos. En los siguientes apartados se muestran los resultados de los ensayos sobre elementos estructurales descritos en la campaña experimental. Un resumen de dichos ensayos, junto con el material empleado y el número de elementos, se muestra en la Tabla 12. Tabla 12. Ensayos estructurales realizados Material de origen Elemento Unidades Tipo de ensayo Material 1 Material 1 Material 1 Material 2 Muro 1 Flexión Viga 3 Flexión Muro 1 Compresión Muro 1 Compresión 39 Análisis de resultados Miguel Palomares Garcia 4.3.1 Ensayo de resistencia a flexión muro ondulado El ensayo se ha realizado mediante control por desplazamiento, obteniendo una curva carga-desplazamiento representada en la Figura 40 que representa el modo de rotura del muro ensayado. Resulta característico que la rotura se produce en dos fases dados los dos picos de carga cerca de los 16 kN. La aparición de dos picos en la curva del ensayo refleja la rotura del muro en dos fases: 1. Rotura a flexión de la sección ondulada de la pieza directamente en contacto con la viga metálica transmisora de la carga. 2. Rotura a flexión del resto de la sección del muro. Figura 40. Curva del ensayo a flexión En la primera fase que marca el primer pico de la curva y alcanzando los 16 kN se produce únicamente rotura parcial en la parte superior del muro, es decir, la parte ondulada que está en contacto directo con la viga metálica. Esta que es la parte con una geometría más compleja del elemento y dado que es la primera en recibir la carga, es la que fractura primero tal y como muestra la Figura 41. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 5 10 15 20 Carga [kN] Desplazamiento vertical [mm] Rotura fase 1 Rotura fase 2 Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 40 Análisis de resultados Figura 41. Fisuración sección ondulada Tras la primera fase y ante la rotura parcial, la carga descendió un 94% pero sin llegar a un valor nulo. Dado que la pieza aún estaba prácticamente completa, el ensayo continuó y generó otra curva prácticamente igual a la anterior. Asimismo, como el elemento aún no había colapsado por completo se produce la segunda fase con un segundo pico en la curva alcanzando nuevamente un valor de carga de 16 kN. Es en este punto cuando ya se produce el colapso del muro mediante rotura frágil y brusca debido a la ausencia de fibras o armadura de refuerzo. Se observa dicho colapso en la Figura 42. Figura 42. Colapso del muro 4.3.2 Ensayo de resistencia a flexión vigas La Tabla 13 muestra los resultados de la resistencia a flexión de las vigas ensayadas y la Figura 43 refleja la rotura de las vigas. Cabe destacar que, debido a un incidente en el sistema de transmisión de carga, la viga 1 se ensayó a muy elevada velocidad, por lo que la resistencia resulta superior a las dos vigas restantes. En este caso, resulta prudente descartar el resultado de la Viga 1 para evitar comparar la resistencia obtenida con los resultados de las dos vigas restantes. Tabla 13. Resistencia a flexión de vigas Elemento Resistencia [MPa] Viga 1* 3.1 Viga 2 2.2 Viga 3 1.8 41 Análisis de resultados Miguel Palomares Garcia Figura 43. Ensayos en vigas En la Figura 44 se muestran gráficamente los resultados de resistencia a flexión respecto al desplazamiento vertical en el centro de vano y punto de aplicación de la carga puntual de las vigas 2 y 3 respectivamente. Figura 44. Curva Resistencia-Desplzamiento vertical de vigas esbeltas Se observa cómo se produce en ambas vigas una rotura frágil debido a la ausencia de refuerzos. La viga 2 empieza a fracturar en una posición cercana al centro y rompe hasta media altura donde sigue fracturando siguiendo las capas de impresión y nuevamente a escasa distancia vuelve a romper hasta la parte más alta donde causa el colapso completo. Esto explica porque la viga 2 resulta ligeramente más resistente que la viga 1. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 Resistencia a flexión [MPa] Desplazamiento vertical [mm] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 Resistencia a flexión [MPa] Desplazamiento vertical [mm] Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 48 Conclusiones 49 Referencias Miguel Palomares Garcia Referencias [1] Zhang, J., Wang, J., Dong, S., et al., «A review of the current progress and application of 3D printed concrete,» Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 125, p. 105533, 2019. [2] José, G., Odremán, R., «Un acercamiento a la tecnología y su influencia en la industria,» Impresión 3D en la Industria, vol. 18, nº 73, 2014. [3] Khoshnevis, B., «Automated construction by Contour Crafting - Related robotics and information tehcnologies,» Automation in Construction, pp. 5-19, 2004. [4] Zhang, J., «Optimal machine operation planning for construction by Contour Crafting,» Automation in Construction, pp. 50-67, 2013. [5] Lim, S., Buswel, R.A., «Developments in construction-scale additive manufacturig processes,» Automation in Construction, pp. 260-268, 2012. [6] Roux, Ph., Duballet, R., «Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete,» Materials & Design, vol. 100, pp. 102-110, 2016. [7] Panda,B., Tay, Y.W.D., Paul, S.C., Tan, M.J., «Current challenges and future potential of 3D concrete,» Materialwiss. Werkstofftech, nº 49, pp. 666-673, 2018. [8] Cesaretti, G., Dini, E., «Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technologies,» Acta Astronautica, vol. 93, pp. 430-450, 2014. [9] Zareiyan, B., Khoshnevis, B., «Interlayer adhesion and strength of structures in Contour Crafting - Effects of aggregate size, extrusion rate, and layer thickness,» Automation in Construction, nº 81, pp. 112-121, 2017. [10] Asprone, D., Auricchio, F., Menna, C., Mercuri, V., «3D printing of reinforced concrete elements: Technology and design,» Construction and Building Materials, pp. 218-231, 2018. [11] Zareiyan, B., Khoshnevis, B., «Effects of interlocking on interlayer adhesion and strength of structures in 3D printing of concrete,» Automation in Construction, nº 83, pp. 212-221, 2017. Caracterización y ensayos estructurales de hormigón 3D fabricado mediante Contour Crafting 50 Referencias [12] Lu, B., Weng, Y., Li, M., «A systematical review of 3D printable cementitious materials,» Construction and Building Materials, pp. 477-490, 2019. [13] Su-Jin, L., Jong-Pil, W., «Shrinkage characteristics of structural nano-synthethic fibrereinforced cementitious composites,» Composite Structures, vol. 157, pp. 236-243, 2016. [14] Le, T.T., Austin, S.A., Lim, S., Buswell, R.A., Law, R., Gibb, A.G.F., Thorpe, T., «Hardened properties of high-performance printing concrete,» Cement and Concrete Research, nº 42, pp. 558-566, 2012. [15] Rahul, A.V., Santhanam, M., Meena, H., Ghani, Z., «Mechanical characterization of 3D printable concrete,» Construction and Building Materials, nº 227, 2019. [16] Burgos Montes, O., Palacios, M., «COmpatibility bteween superplasticizer admixtures and cements with mineral additions,» Construction and Building Materials, vol. 31, 2012. [17] Wohlers, «3D printing and additive manufacturing, state of the industry, annual worldwide progress,» 2017.