doctoralThesis
Avaliação da influência da incorporação de metacaulim e das relações areia/ligantes e água/ligantes nas propriedades de concretos para impressão 3D
Evaluation of the influence of metakaolin incorporation and sand/binder and water/binder ratios on the properties of concretes for 3D printing
Registro en:
DINIZ, Hugo Alessandro Almeida. Avaliação da influência da incorporação de metacaulim e das relações areia/ligantes e água/ligantes nas propriedades de concretos para impressão 3D. Orientador: Antônio Eduardo Martinelli. 2023. 131f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.
Autor
Diniz, Hugo Alessandro Almeida
Resumen
3D printing of concrete (3DCP) is a construction technique based on the deposition of
successive layers of a cementitious composite without the need for conventional
formwork. To apply the technique, the composite must be able to pass through a
printing nozzle and support the successive printed layers. This method promotes a
faster execution and with less waste, however, there are few studies to understand
these abilities. In this perspective, the objective of this study is to understand the
influence of sand, water, and metakaolin incorporation on the extrusion capabilities
and constructability of cementitious composites for 3D printing. The analysis was
based on an experimental statistical planning of mixtures to gauge the effect and
interaction of the variables: cement replacement content by metakaolin, sand/binder
ratio and water/binder ratio. Ten mixtures were evaluated through the properties of
extrudability, constructability, rheology and strength in the hardened state. To assist in
the analysis, experimental flow and dimensional stability tests were developed. The
water/binder factor had a preponderant influence on the extrudability, being the
component responsible for the fluidization of the materials. The metakaolin reduced
the extrusion capacity, and can be used as a control mechanism. However, the partial
replacement of cement increased deformation by reducing thixotropy, being negative
for constructability. The metakaolin also promoted optimization of the application time,
by delaying the setting. The sand increased the constructability by increasing the
cohesion between the particles, but reduced the application time by increasing the
evaporation of the mixing water. There was a significant interaction between sand and
metakaolin, caused by the reduction of packing, which influenced the increase of
extrusion and reduction of the constructive capacity. It was also observed that the
printing process and the deformations that occurred, influenced the final strength of
the printed block. In the end, it was possible to understand the effect of each
component, as well as, propose new tests and parameters: the sand/binder ratio 1: 1.5
proved to be feasible in all the properties analyzed; mixtures with 30% of metakaolin
presented adequate constructability and extrusion at higher water contents; the
water/binder factor below 0.37 proved to be unfeasible, preventing the printing of the
M3 and M10 mixtures; the maximum yield stress to enable printing was 250 N; the
minimum spread of 161 mm; and the ideal flow rate at 20 ml/s. A impressão 3D de concreto (3DCP) é uma técnica de construção baseada na
deposição de camadas sucessivas de um compósito cimentício sem a necessidade
de fôrmas convencionais. Para aplicação da técnica, o compósito deve possuir a
capacidade de passar em um bico de impressão e suportar as sucessivas camadas
impressas. Esse método promove uma execução mais rápida e com menos
desperdício, porém, existem poucos estudos para entender as habilidades citadas.
Nesta perspectiva, o objetivo deste estudo é entender a influência da areia, da água
e da incorporação de metacaulim nas capacidades de extrusão e construtibilidade de
compósitos cimentícios para impressão 3D. A análise foi baseada em um
planejamento estatístico experimental de misturas para aferição do efeito e interação
das variáveis: teor de substituição do cimento por metacaulim, relação areia/ligantes
e relação água/ligantes. Foram avaliadas 10 misturas através das propriedades de
extrusibilidade, construtibilidade, reologia e resistência no estado endurecido. Para
auxiliar na análise foram desenvolvidos os ensaios de vazão experimental e de
estabilidade dimensional. O fator água/ligantes teve influência preponderante na
capacidade de extrusão, sendo o componente responsável pela fluidificação dos
materiais. O metacaulim reduziu a capacidade de extrusão, podendo ser utilizado
como mecanismo de controle. Porém, a substituição parcial do cimento elevou a
deformação pela redução da tixotropia, sendo negativo para a construtibilidade. O
metacaulim também promoveu otimização do tempo de aplicação, por retardar a pega.
A areia elevou a capacidade construtiva pelo aumento da coesão entre as partículas,
porém, reduziu o tempo de aplicação por elevar a evaporação da água de mistura.
Houve uma interação significativa entre areia e metacaulim, provocada pela redução
do empacotamento, que influenciou na elevação da extrusão e redução da capacidade
construtiva. Observou-se também que o processo de impressão e as deformações
ocorridas, influenciaram na resistência final do bloco impresso. Ao fim, foi possível
compreender o efeito de cada componente, bem como, propor novos ensaios e
parâmetros: a relação areia/ ligantes 1:1,5 mostrou-se viável em todas as
propriedades analisadas; misturas com 30% de metacaulim apresentaram
construtibilidade e extrusão adequadas em maiores teores de água; o fator água/
ligantes abaixo de 0,37 mostrou-se inviável, impedindo a impressão das misturas M3
e M10; a tensão de escoamento máxima para possibilitar a impressão foi de 250 N; o
espalhamento mínimo de 161 mm; e a vazão ideal em 20 ml/s.