ผลกระทบของนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตต่อสมบัติของคอนกรีตมวลเบาและสมบัติการพิมพ์ของมอร์ตาร์สำหรับงานพิมพ์ 3 มิติ
Effect of Nano-Calcium Carbonate on Lightweight Concrete Properties and Printability of Mortar of 3D Printing Application
Abstract
งานวิจัยนี้ศึกษาผลกระทบของนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตต่อสมบัติของคอนกรีตมวลเบาและสมบัติการพิมพ์ของมอร์ตาร์สำหรับงานพิมพ์ 3 มิติ โดยแปรผันปริมาณของนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตในส่วนผสม ตั้งแต่ 0–4% ของน้ำหนักซีเมนต์ ทำการทดสอบสมบัติของคอนกรีตมวลรวมเบา ได้แก่ ค่าการยุบตัว ระยะเวลาก่อตัว หน่วยน้ำหนักคอนกรีต การซึมผ่านของน้ำกำลังรับแรงอัด องค์ประกอบเคมีและโครงสร้างจุลภาค รวมถึงสมบัติด้านของงานพิมพ์ 3 มิติ ได้แก่ ทดสอบการไหลแผ่ ระยะเวลาเริ่มต้นพิมพ์ และกรอบเวลาในการพิมพ์ ผลการทดลองพบว่า การเพิ่มขึ้นของปริมาณนาโนแคลเซียมคาร์บอเนต ส่งผลให้ค่าหน่วยน้ำหนักมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันค่าการยุบตัวและระยะเวลาการก่อตัวของคอนกรีตนั้นลดลง ในส่วนของค่ากำลังรับแรงอัดพบว่า เมื่อปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตเพิ่มขึ้นส่งผลให้ค่ากำลังรับแรงอัดเพิ่มขึ้น จนถึงปริมาณนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตที่ 2% โดยน้ำหนักซีเมนต์จากนั้นมีแนวโน้มลดลง และ ค่าการซึมผ่านน้ำของคอนกรีตที่มีแนวโน้มลดลงตามปริมาณแคลเซียมคาร์บอเนตที่เพิ่มขึ้นจนถึง 2% โดยน้ำหนักซีเมนต์จากนั้นมีแนวโน้มกลับมาเพิ่มขึ้น ซึ่งมีผลยืนยันการเพิ่มขึ้นของนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตด้วย XRD และ การเติมเต็มในช่องว่างด้วย SEM ในส่วนของงานพิมพ์ 3 มิติ พบว่า ระยะเวลาเริ่มต้นในการพิมพ์และความกว้างของเส้นพิมพ์ลดลง เมื่อเพิ่มปริมาณนาโนแคลเซียมคาร์บอเนต
This research investigated the effect of nano-calcium carbonate on lightweight concrete's properties. The amount of nano-calcium carbonate was varied from 0–4% by weight of cement. Experimental series included slump test, setting time, unit weight, water permeability, compressive strength, chemical composition, and microstructure. In terms of the properties of 3D printing, the focus points were flow test and open time. The results show that the unit weight increased with an increase in nano-calcium carbonate content. However, the slump and setting time were found to decrease with an increasing amount of nano-calcium carbonate. In respect of compressive strength, it was found to increase with the increasing calcium carbonate content up to about 2%, and then decreased. The water permeability also decreased with the increasing nano-calcium carbonate content up to about 2%, then increased. The increase of nano-calcium carbonate content by XRD and the void filling by SEM were observed. In terms of 3D printing, the initial printable time and width of the printed filament decreased with an increase in nano-calcium carbonate content.
Keywords
[1] T. Sutthiphasilp, P. Sukontasukkul, and W. Chalodhorn, “Study on thermal properties of plastering mortar mixed with paraffin and polyethylene glycol type phase change material,” The Journal of KMUTNB, vol. 28, no. 2, pp. 341–352, 2018 (in Thai).
[2] J. Sanguansin, P. Pongsopha, P. Sukontasukkul, and K. Tontiwattanakul, “Preliminary study on effects of viscoelastic polymer on damping and sound properties of concrete panels,” The Journal of KMUTNB, vol. 31, no. 2, pp. 257–265, Apr.–Jun. 2021 (in Thai).
[3] B. Warinlai and P. Krammart, “Slump, compressive strength, chloride penetration resistance and carbonation of concrete with partial replacement of cement by fly ash, ground bottom ash, limestone powder,” The Journal of KMUTNB, vol. 31, no. 3, pp. 438–449, 2021 (in Thai).
[4] D. Intarabut, B. Maho, P. Sukontasukkul, P. Pongsopha, T. Phoo-ngernkham, and S. Hanjitsuwan, “Preliminary study on high performance Alkali-activated material from fly ash, silica fume and ground granulated Blastfurnace slag,” The Journal of KMUTNB, vol. 33, no. 4, pp. 1–13, 2023 (in Thai).
[5] S. Kongtun, P. Sukontasukkul, and W. Jiradamkerng, “Mechanical properties and material cost of concrete reinforced with steel fibers with different tensile strengths,” The Journal of KMUTNB, vol. 31, no. 4, pp. 700–710, 2021 (in Thai).
[6] S. Jamnam, B. Maho, P. Sukontasukkul, K. Fujikake, and N. Banthia, “Energy absorption and failure patterns of multilayer bulletproof concrete panel made of steel fiber, styrofoam and Para-rubber,” The Journal of KMUTNB, vol. 28, no. 3, pp. 515–524, 2018 (in Thai).
[7] B. Maho, A. Techaphatthanakon, S. Jamnam, and P. Sukontasukkul, “Class 3A bullet resistance of multilayer bulletproof panels made of fibre reinforced concrete and rubber sheet,” The Journal of KMUTNB, vol.31, no.3, pp.427–437, 2021 (in Thai).
[8] A. Kijjanon and T. Sumranwanich, “Effect of recycled concrete aggregates from ready-mixed concrete plant on chloride penetration resistance and compressive strength of concrete,” The Journal of KMUTNB, vol. 32, no. 1, pp. 87–96, 2022 (in Thai).
[9] L. Y. Ponhsampatea, T. Cheewaket, and W. Chalee, “Chloride penetration and steel corrosion of concrete containing palm oil fuel ash under 5-year exposure in marine environment,” The Journal of KMUTNB, vol. 28, no. 1, pp. 23–36, 2018 (in Thai).
[10] S. Haruehansapong, A. Neramitkornburee, and W. Kroehong, “Workability, mechanical properties and sulfate resistance of self compacting concrete with ternary blended cementitious materials,” The Journal of KMUTNB, vol. 31, no. 4, pp. 685–699, 2021 (in Thai).
[11] H. Al-khaiat and N. Haque, “Strength and durability of lightweight and normal weight concrete,”Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 11, pp. 231–5, 1999.
[12] D. Hughes, L. Hodgkinson, D. Cullen, and H. Seaton, “Adjusted density concrete,” Concrete Engineering International, vol. 3, pp. 54–58, 1999.
[13] M. Cao, X. Ming, K. He, L. Li, and S. Shen, “Effect of Macro-, Micro- and Nano-Calcium Carbonate on Properties of Cementitious Composites—A Review,” Materials, vol. 12, pp. 781, 2019.
[14] K.V. Wong, and A. Hernandez, “A Review of Additive Manufacturing,” ISRN Mechanical Engineering, pp. 1–10, 2012.
[15 R. Buswell, R. Soar, A. Gibb, and A. Thorpe, “Freeform construction: Mega-scale rapid manufacturing for construction,” Automation in Construction, vol. 16, pp. 224–231, 2007.
[16] Y. Che, and H. Yang, “Hydration products, pore structure, and compressive strength of extrusion-based 3D printed cement pastes containing nano calcium carbonate,” Case Studies in Construction Materials, vol. 17, pp. e01590, 2022.
[17] D. Shen, J.Kang, H. Shao, C. Liu, M. Li, and X. Chen, “Cracking failure behavior of high strength concrete containing nano-CaCO3 at early age,” Cement and Concrete Composites, vol. 139, pp. 104996, 2023.
[18] S. Rami & Hamad, and A. Hesham, “Mechanical properties of lightweight green concrete including nano calcium carbonate,” Journal of Building Pathology and Rehabilitation, vol. 8, 2023.
[19] Standard Specification for Portland Cement, ASTM C150-20, 2020.
[20] Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures West Conshohocken, ASTM C1240-20, 2020.
[21] Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete, ASTM C494/C494M-19, 2019.
[22] Standard Test Method for Slump of Hydraulic- Cement Concrete, ASTM C143/C143M-10a, 2010.
[23] Standard Test Methods for Time of Setting of Hydraulic Cement by Vicat Needle, ASTM C191-21, 2021.
[24] Standard Test Method for Density (Unit Weight), Yield, and Air Content (Gravimetric) of Concrete, ASTM C 138-17, 2017.
[25] British Standards Document: Testing hardened concrete - Compressive strength - Specification for testing machines, BS EN 12390-4, 2000.
[26] Testing of hardened concrete (specimens prepared in mould). Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), Berlin, Germany, DIN 1048-5, 2005.
[27] Standard Specification for Flow Table for Use in Tests of Hydraulic Cement, ASTM C230/C230 M-20, 2020.
[28] M. Berra, F. Carassiti, T. Mangialardi, A. E. Paolini, and M. Sebastiani, “Effects of nanosilica addition on workability and compressive strength of Portland cement pastes,” Construction and Building Materials, vol. 35, pp. 666–675, 2012.
[29] L. Poudyal, K. Adhikari, and M. Won, “Mechanical and durability properties of portland limestone cement (PLC) incorporated with nano calcium carbonate (CaCO3),” Materials, vol. 14, pp. 905, 2021.
[30] L. Senff, J. A. Labrincha, V. M. Ferreira, D. Hotza, and W. L. Repette, “Effect of nano-silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars,” Construction and Building Materials, vol. 23, pp. 2487–2489, 2009.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2024.09.002
ISSN: 2985-2145