Abstract :
[en] The construction industry is a major contributor to global resource depletion and greenhouse gas emissions, driven by the extraction of natural river sand and the intensive use of cement. 3D printing concrete has emerged as a promising alternative to conventional formwork-based construction, offering greater design freedom, reduced material waste, and improved efficiency. However, the mixes developed for this technology still rely predominantly on natural sand and virgin cement, leaving much of its environmental potential untapped.
The use of recycled fine aggregates, from crushed sand to recycled concrete fines, offers a sustainable pathway to reduce this dependency. Nevertheless, incorporating such materials into a 3D-printable mortar raises concerns regarding printability, since recycled aggregates typically alter workability, water demand, and mechanical performance compared to natural sand. Understanding how these materials influence the fresh- and hardened-state behaviour of the mix, as well as its flow and structural stability during printing, is therefore essential for its practical adoption.
An extensive experimental campaign was carried out to design and characterise a 3D-printable mortar incorporating recycled sand and recycled crushed concrete fines as partial substitutes for natural sand and cement. This enabled a clear understanding of how each recycled fraction affects the rheological behaviour of the fresh mix and the mechanical performance of the hardened material, leading to the identification of an optimised, printable formulation.
A computational fluid dynamics model was subsequently developed in OpenFOAM to reproduce the flow of the optimised mortar through the pumping system of the printer, based on its measured rheological behaviour. The model was validated against physical printing trials and showed good agreement, confirming its ability to predict pumping performance ahead of printing.
The structural behaviour of the printed material was investigated through a finite element model reproducing the layer-by-layer nature of the printing process, based on mechanical parameters obtained experimentally at an age representative of fresh printing conditions. The model was validated against a physically printed component and subsequently extended to assess the buildability limit of the mix, revealing that failure is governed as much by the geometry of the printed element as by the intrinsic strength of the material.
Taken together, these findings show that a 3D-printable mortar incorporating recycled fine aggregates can achieve both adequate printability and structural reliability, and that its behaviour throughout the printing process, from pumping to buildability, can be assessed using a consistent, validated numerical framework. This work contributes to establishing recycled 3D printing concrete as a technically viable and more sustainable alternative for the construction industry.
[fr] Le secteur de la construction contribue de manière majeure à l'épuisement des ressources mondiales et aux émissions de gaz à effet de serre, en raison de l'extraction du sable naturel de rivière et de l'utilisation intensive du ciment. L'impression 3D du béton s'est imposée comme une alternative prometteuse à la construction conventionnelle avec coffrage, offrant une plus grande liberté de conception, une réduction des déchets de matériaux et une meilleure efficacité. Cependant, les mélanges développés pour cette technologie reposent encore majoritairement sur le sable naturel et le ciment vierge, ce qui laisse une grande partie de son potentiel environnemental inexploitée.
L'utilisation de granulats fins recyclés, du sable concassé aux fines de béton recyclé, constitue une voie durable pour réduire cette dépendance. Néanmoins, l'incorporation de tels matériaux dans un mortier imprimable en 3D soulève des questions quant à son imprimabilité, car les granulats recyclés modifient généralement l'ouvrabilité, la demande en eau et les performances mécaniques par rapport au sable naturel. Comprendre l'influence de ces matériaux sur le comportement du mélange à l'état frais et à l'état durci, ainsi que sur son écoulement et sa stabilité structurelle pendant l'impression, est donc essentiel à leur adoption pratique.
Une vaste campagne expérimentale a été menée afin de concevoir et de caractériser un mortier imprimable en 3D intégrant du sable recyclé et des fines de béton concassé recyclé en substitution partielle du sable naturel et du ciment. Elle a permis de comprendre clairement l'effet de chaque fraction recyclée sur le comportement rhéologique du mélange frais et sur les performances mécaniques du matériau durci, conduisant à l'identification d'une formulation optimisée et imprimable.
Un modèle de mécanique des fluides numérique (CFD) a ensuite été développé sous OpenFOAM afin de reproduire l'écoulement du mortier optimisé dans le système de pompage de l'imprimante, sur la base de son comportement rhéologique mesuré. Le modèle a été validé par des essais d'impression réels et a montré une bonne concordance, confirmant sa capacité à prédire les performances de pompage avant l'impression.
Le comportement structurel du matériau imprimé a été étudié à l'aide d'un modèle par éléments finis reproduisant le caractère couche par couche du procédé d'impression, à partir de paramètres mécaniques obtenus expérimentalement à un âge représentatif des conditions d'impression à l'état frais. Le modèle a été validé sur un élément imprimé réel, puis étendu à l'évaluation de la limite de constructibilité du mélange, révélant que la rupture est gouvernée autant par la géométrie de l'élément imprimé que par la résistance intrinsèque du matériau.
Dans l'ensemble, ces résultats montrent qu'un mortier imprimable en 3D intégrant des granulats fins recyclés peut atteindre à la fois une imprimabilité adéquate et une fiabilité structurelle satisfaisante, et que son comportement tout au long du procédé d'impression, du pompage à la constructibilité, peut être évalué au moyen d'un cadre numérique cohérent et validé. Ce travail contribue à établir le béton imprimé en 3D à base de matériaux recyclés comme une alternative techniquement viable et plus durable pour le secteur de la construction.
Funding text :
This PhD research was funded by Wallonie-Bruxelles International (WBI) through a doctoral thesis grant, within the framework of the WalDeCoViet project “Recycled materials: establishment and training of stakeholders in the construction and demolition waste recovery sector in Vietnam”. Part of the work was carried out within the BeXTRUS project, funded by the Walloon Region (Service Public de Wallonie) under the Win4Collective programme.
