In the last decades, 3D printing has emerged as a promising new paradigm for manufacturing. Even in the civil construction industry, it has gained attention from companies and researchers around the world. Despite of that, the properties of materials applied in the additive manufacturing process are still understudied. One of the challenges is the need to conciliate both high bearing capacity, sparing the need of any confining measures, and the ability of keeping fluidity for enough time, in order to avoid cold joints between the layers. In that scenario, viscosity enhancing admixtures (VEAs) can be a solution, because they are able of promoting flocculation, viscosity gain and yield strength increase, reducing the deposition time in between the layers, which may decrease the formation of cold joints. This research evaluated rheological parameters of four different VEAs and found out that they show potential for increasing the cohesion and buildability of concretes for 3D-printing. The results showed that this effect varies with the type and amount of the admixture adopted and bentonite clay, as a mineral powder material, performed best in comparison to other polymeric VEAs, presenting structuration rates of up to 62% higher than the reference mixture.

Nas últimas décadas, a impressão 3D emergiu como um novo e promissor paradigma de fabricação.  Mesmo na indústria da construção civil, ela tem ganhado atenção de empresas e pesquisadores de todo o mundo.  Apesar disso, as propriedades dos materiais aplicados no processo de manufatura aditiva ainda são pouco estudadas.  Um dos desafios está na necessidade de conciliar alta capacidade portante, poupando a necessidade de quaisquer medidas restritivas, com a capacidade de manter a fluidez por tempo suficiente, a fim de evitar juntas frias entre as camadas.  Nesse sentido, os aditivos Modificadores de viscosidade (VMAs) podem ser uma solução, pois são capazes de promover floculação, ganho de viscosidade e aumento da tensão de escoamento, reduzindo o tempo de deposição entre as camadas, o que pode diminuir a formação de juntas frias.  Esta pesquisa avaliou parâmetros reológicos de quatro VMAs diferentes e descobriu que eles apresentam potencial para aumentar a coesão e a construtibilidade de concretos para impressão 3D.  Os resultados mostraram que esse efeito varia com o tipo e a quantidade de aditivo adotado. Particularmente, a argila bentonita, como aditivo mineral em pó, apresentou melhor desempenho em comparação com os VMAs poliméricos, porduzindo taxas de estruturação até 62% superiores à mistura de referência.

Resumo O uso de nanopartículas é uma tendência recente que pode assumir um papel importante para melhorar o desempenho mecânico do cimento Portland. O objetivo deste estudo é avaliar o efeito da nanossílica na matriz de cimento Portland. A distribuição do tamanho das partículas da matriz de cimento Portland foi modificada pela incorporação de 11, 6.2, 3.1, 1.7, 0.85 a 0.42%, em massa, de nanossílica. A demanda de água e o consumo de aditivo dispersante foram ajustados, e as propriedades reológicas das suspensões foram analisadas por meio de reometria rotacional. O desempenho mecânico das misturas foi avaliado pela resistência à compressão. A distribuição do tamanho dos poros foi medida por porosimetria de intrusão de mercúrio, e a hidratação foi analisada por difratometria de raios-X. O comportamento reológico apresentou uma mudança considerável, como consequência da elevada área superficial específica das nanopartículas. O teor ótimo de nanossílica, ou a menor quantidade de nanopartículas, que leva ao maior ganho de resistência, variou de acordo com a relação água/sólidos. Um aumento na hidratação e o refinamento dos poros foram obtidos pelo uso da nanossílica. O efeito de empacotamento e a pozolanicidade são os principais efeitos da nanossílica na microestrutura da matrix de cimento Portland.

Abstract The use of nano-particles is a current trend that may play an important role for improving the mechanical performance of Portland cement. The aim of this study is to evaluate the effect of nano-silica on Portland cement matrix. The particle size distribution of Portland cement matrix was modified by the incorporation of 11, 6.2, 3.1, 1.7, 0.85 and 0.42 wt.% of nano-silica. The water demand and the consumption of dispersant were adjusted, and the rheological properties of suspensions were analyzed through rotational rheometry. The mechanical performance of studied mixtures was evaluated by the compressive strength. The pore size distribution was measured by mercury intrusion porosimetry (MIP), and the hydration was analyzed through X-ray diffractometry. The rheological behavior presented a considerable changed, as a consequence of high specific surface area of nano-particles. The optimum content of nano-silica, or the smaller quantity of nano-particles, that leads to the maximum strength gain, varied according to the water to solids ratio. An increasing on the hydration and a pore refinement were obtained due to the use of silica nanoparticles. The particle’s packing and the pozzolanic reaction were the two main effects of nano-silica on the microstructure of Portland cement matrix.

Resumo O efeito da concentração alcalina e da temperatura de cura em pastas geopoliméricas a base de cinza volante foi avaliada utilizando soluções de hidróxido de sódio. Corpos de prova prismáticos foram moldados e curados em temperaturas de 65°C e 85°C, sendo posteriormente submetidos aos ensaios de resistência à flexão e compressão. Foi realizada a caracterização microestrutural da cinza volante utilizada e das pastas produzidas, a partir de análises de difratometria de raios X e termogravimetria. Em geral, a resistência à compressão foi favorecida pelo aumento da concentração molar e da temperatura de cura. Esta tendência foi confirmada nos dados termogravimétricos. No entanto, para um pequeno teor de NaOH, não foram obtidas diferenças significativas entre os resultados de resistência. A mistura com maior resistência foi produzida com uma solução de NaOH com concentração de 16 M e temperatura de cura de 85°C, resultando em resistência à flexão de 4,20 MPa, resistência à compressão de 21,35 MPa e perda de peso máxima de 9,89%.

Abstract The effect of alkali concentration and curing temperature regime on fly ash-based geopolymer pastes was investigated in this study by using NaOH solutions. Prismatic specimens were molded, cured at 65 °C and 85 °C and submitted to flexural and compressive strength tests. Unreacted fly ash and geopolymers were characterized by X-ray diffraction and thermogravimetric analysis. In general, the mechanical strength was enhanced by increasing the molar concentration and the curing temperature. This trend was confirmed by thermogravimetric data. However, for a lower amount of NaOH there were no significant differences between the strength results. The mixture with the highest strength was obtained with the 16 M NaOH solution and curing temperature of 85 °C, which resulted in flexural strength of 4.20 MPa, compressive strength of 21.35 MPa and also the highest weight loss of 9.89%.

Resumo O uso de nanopartículas em concretos de ultra-alta resistência pode resultar em um efeito positivo no desempenho mecânico destes materiais cimentíceos. Neste estudo foram avaliadas matrizes cimentíceas contendo 10 e 20% de microssílica, para as quais foi determinado o teor ótimo de nanossílica, i.e. a quantidade de nanossílica que resultou no maior ganho de resistência. A caracterização física das matérias-primas foi realizada em termos de distribuição do tamanho das partículas, densidade e área superficial específica. As composições química e mineralógica dos materiais foram determinadas por meio de fluorescência e difração de raios X. O desempenho mecânico das misturas foi avaliado por meio da medição de resistência à compressão, resistência à tração na flexão e módulo de elasticidade dinâmico. A análise microestrutural das amostras contendo nanossílica foi realizada por meio de difração de raios X, termogravimetria, porosimetria de intrusão de mercúrio e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados obtidos indicaram um teor ótimo de 0,62% de nanossílica, considerando resistências à tração na flexão ou à compressão. Este ganho de desempenho foi diretamente relacionado a dois aspectos microestruturais importantes: o efeito de empacotamento e a reação pozolânica da nanossílica.

Abstract The use of nanoparticles in ultra-high strength concretes can result in a positive effect on mechanical performance of these cementitious materials. This study evaluated mixtures containing 10 and 20 wt% of silica fume, for which the optimum nano-silica content was determined, i.e. the quantity of nano-silica that resulted on the higher gain of strength. The physical characterization of raw materials was done in terms of particle size distribution, density and specific surface area. Chemical and mineralogical compositions of materials were obtained through fluorescence and X-ray diffraction. The mechanical performance was evaluated by compressive strength, flexural strength and dynamic elastic modulus measurements. The microstructural analysis of mixtures containing nano-silica was performed by X-ray diffraction, thermogravimetry, mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscopy. Obtained results indicate an optimum content of nano-silica of 0.62 wt%, considering compressive and flexural strengths. This performance improvement was directly related to two important microstructural aspects: the packing effect and pozzolanic reaction of nano-silica.

A retração é um dos atributos menos desejáveis em concreto. Grandes áreas de superfícies expostas de concreto, tais como nos túneis em concreto projetado, onde é praticamente impossível proceder a uma cura úmida, são altamente suscetíveis à retração plástica nas primeiras idades. Retrações autógena e por secagem podem conduzir a estados de tensões maiores que a limite, provocando fratura, comprometimento mecânico e da durabilidade das peças de concreto. A adição de fibras pode reduzir consideravelmente a retração plástica, mas apresenta efeito limitado na mitigação das retrações autógena e por secagem. Na busca pela avaliação do desempenho das fibras e entendimento dos seus efeitos na retração do concreto relacionou-se a perda de água da pasta com a retração no período dos primeiros 28 dias. Concretos reforçados com fibras de polipropileno e de aço tiverem seus desempenhos em retração e perda de água comparados com um traço de controle sem fibra. A perda de água foi obtida pela perda de peso dos espécimes em diferentes idades, pois o único componente que contribui para a perda de peso é a perda de água pela pasta. E a pasta é a única fonte de retração. Testes de compressão uniaxial em idades muito precoces auxiliaram na determinação da idade quando a retração plástica terminou. Foi observado que o traço de controle perdeu três vezes mais água e desenvolveu retração plástica e por secagem 60 % mais altas do que os traços com fibras no mesmo período. Foi possível demonstrar que a redução da perda de água causada pela incorporação das fibras está relacionada com a mitigação da retração plástica. Observou-se que as fibras são eficazes em conter o movimento de água através da pasta de cimento no estado plástico, mas o mesmo não se dá após o início do endurecimento do concreto.

Shrinkage is one of the least desirable attributes in concrete. Large areas of exposed concrete surfaces , such as in shotcrete tunnel linings, where it is practically impossible to make a moist cure, are highly susceptible to plastic shrinkage at early ages. The autogenous and drying shrinkage can lead to states of greater than threshold strength, causing fracture, mechanical damage and lack of durability of concrete structures. The addition of fibers can greatly reduce plastic shrinkage, but has limited effect in mitigating autogenous and drying shrinkage. To evaluate the performance of polypropylene and steel fibers to understand their effect on shrinkage of concrete, a study was carried out to relate the loss of water from the paste and the shrinkage during the first 28 days of age, and compare it with a control mix without fiber. The loss of water was obtained by the weight loss of the specimens at different ages, since the only component that could contribute for the loss of weight was the water lost by the paste of the concrete. And the paste itself is the only source of shrinkage. Uniaxial compressive tests from very early ages enabled the determination of time when plastic shrinkage ended. It was observed that the control concrete mix lost three times more water and developed plastic and drying shrinkage 60 % higher than the fiber reinforced concrete mixes. It was possible to demonstrate that the reduced loss of water caused by the incorporation of fibers is related to the mitigation of plastic shrinkage. It was observed that the fibers are effective to restrain the movement of water through the cement paste in the plastic state, however such effect is limited after concrete starts the hardening state.