Advanced geopolymer cement formulations for extrusion-based 3D printing in construction

December 12, 2025

A indústria da construção procura atualmente soluções inovadoras que combinem sustentabilidade e eficiência. O cimento geopolimérico (GPC), incorporando resíduos industriais inorgânicos, constitui uma alternativa ecológica aos ligantes convencionais. Em paralelo, a impressão tridimensional por extrusão (eb-3DP) é reconhecida pela flexibilidade de conceção, redução de desperdício e rapidez de construção. Contudo, a integração de GPC e eb-3DP permanece pouco explorada, exigindo investigação dedicada sobre formulações e seu desempenho. Este projeto centrou-se no desenvolvimento de argamassas de GPC para eb-3DP, abordando formulação, reologia e desempenho. Ensaios de reatividade, desenvolvidos especificamente, confirmaram o metacaulino (MK) e as cinzas volantes de biomassa (BFA) como precursores adequados. A formulação base desenvolvida foi posteriormente adaptada ao processo de impressão pela incorporação de um retardador de presa e um agente modificador de viscosidade, usados para equilibrar extrudibilidade e construtibilidade. A análise reológica, realizada com back-extrusion tests, permitiu definir uma “janela de impressão”, correlacionando intervalos de viscosidade plástica e tensão de cedência ao corte com resultados de impressão bem-sucedidos. Ensaios de compressão em argamassa fresca permitiram relacionar tensão de cedência à compressão e módulo de elasticidade com limites de impressão, possibilitando prever a altura máxima imprimível e o modo de falha das impressões através de modelos estruturais simples. Embora tenha sido constatado que a resistência de adesão intercamadas (IBS) diminui com o aumento do intervalo temporal entre camadas, a aplicação de um tratamento superficial permitiu obter um desempenho de adesão equivalente à impressão contínua. O resultado de ensaios na direção perpendicular sugeriu que as interfaces entre camadas não constituem uma fragilidade em peças de GPC impressas continuamente. Em resumo, esta investigação aprofunda o conhecimento sobre seleção de matérias primas, otimização de formulações e controlo das propriedades no estado fresco e curado, fatores-chave para uma integração fiável de GPC e eb-3DP, contribuindo para o desenvolvimento de práticas construtivas mais sustentáveis. The construction industry, under growing environmental pressures, is seeking innovative solutions that combine sustainability with efficiency. Geopolymer cement (GPC), synthesized via alkaline activation of aluminosilicate-containing precursors, including inorganic industrial by-products or waste streams, offers an eco-friendly alternative to conventional binders. In parallel, extrusion-based three-dimensional printing (eb-3DP) provides opportunities for design flexibility, reduced waste, and accelerated construction. Yet, the integration of GPC with eb-3DP remains underexplored, requiring dedicated research into formulation strategies and performance assessment. This project focused on developing GPC mortars tailored for eb-3DP, addressing their formulation, rheology, and printing and mechanical performance. A comprehensive characterization, including a custom reactivity test, confirmed metakaolin (MK) and biomass fly ash (BFA) as suitable precursors. A base formulation, optimized for mechanical strength and high BFA content, was developed and subsequently adapted to printing by incorporating zinc sulfate (ZS) and corn starch (CS) as setting retarding and viscosity-modifying agents, respectively, used to balance extrudability and buildability. Rheological analysis using custom back-extrusion tests defined a “printing window,” correlating plastic viscosity and shear yield stress ranges (200 650 Pa·s and 400 1700 Pa, respectively) to successful printing outcomes. Fresh-mortar compression tests further linked compressive yield stress and elastic modulus to printability limits, enabling accurate prediction of maximum printable height and failure mode of printed parts through simple structural models. While interlayer bond strength (IBS) was found to decrease with increasing interlayer time gaps, the application of a simple surface treatment successfully mitigated this degradation, achieving a bond performance equivalent to continuous printing. Comparison with perpendicular splitting tests suggested that layer interfaces do not inherently weaken GPC parts printed continuously. Overall, this research advances the understanding of raw material selection, formulation optimization, and tailoring of fresh- and hardened-state properties as key factors for the reliable integration of GPC with eb 3DP, thereby supporting the development of more sustainable construction practices.

Authors in the community:

• 

  T

  Tomás Maria Siqueira de Almeida Archer de Carvalho

  ist152602

Supervisors of this institution:

• 

  F

  Florindo José Mendes Gaspar

  ist45129

• 

  A

  Ana Clara Lopes Marques

  ist45873

• 

  A

  Artur Jorge dos Santos Mateus

  ist402368

101846240

Doutoramento em Engenharia de Materiais

materials-engineering - Materials engineering

Keywords

• circular economy
• geopolymer cement
• 3D printing
• printing performance
• rheology
• economia circular
• cimento geopolimérico
• impressão 3D
• desempenho de impressão
• reologia

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: Advanced geopolymer cement formulations for extrusion-based 3D printing in construction

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: 2020.04531.BD