Development of fiber-reinforced cementitious composites for 3D printing

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Zat, Tuani
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria; Brasil; Engenharia Civil; UFSM; Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil; Centro de Tecnologia
• Palavras-chave em Português: Additive manufacture; Fiber-reinforced composite; 3D printing; Rheological properties; Mechanical properties; Manufatura aditiva; Compósito fibrorreforçado; Impressão 3D; Propriedades reológicas; Propriedades mecânicas; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
• Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/33045

A manufatura aditiva teve um impacto significativo em várias indústrias, impulsionando a digitalização dos procedimentos industriais e alinhando-se a conceitos como Lean Production e Indústria 4.0. Materiais avançados são fundamentais para alcançar alto desempenho. No entanto, um grande desafio para a adoção de materiais cimentícios na manufatura aditiva é o desenvolvimento de pastas de concreto com propriedades reológicas adequadas para impressão 3D, a fim de atingir alta resistência. Uma compreensão abrangente do comportamento reológico e mecânico do concreto pode melhorar seu desempenho. Um desafio persistente nessa área é a fissuração, que muitas vezes resulta do alto consumo de cimento. A incorporação de fibras curtas emergiu como uma solução promissora, melhorando significativamente a integridade estrutural do material e reduzindo o risco de fissuração. O uso de microfibras requer adaptação não apenas ao desempenho do material endurecido, mas também ao desenvolvimento do processo de impressão. Esta pesquisa investigou aspectos fundamentais do comportamento reológico e mecânico de compósitos cimentícios reforçados com fibras para impressão 3D. Primeiramente, foi avaliado o impacto da adição de microfibras na tensão de escoamento e na integridade estrutural dos concretos impressos, revelando que a incorporação de lã de rocha, em particular, resultou em um aumento significativo na tensão de escoamento. Esse comportamento contribuiu para uma melhor capacidade de suporte das camadas nas estruturas impressas. Além disso, a processabilidade e a correlação entre as propriedades reológicas dos compósitos reforçados com diferentes fibras (aço/ST, rocha/RK e celulose/CL) foram avaliadas em termos de extrudabilidade e capacidade de suporte. Os testes mostraram que as microfibras de celulose proporcionam maior rigidez ao material durante o processo de impressão, o que impacta a qualidade da impressão e a capacidade de suportar camadas sucessivas sem falhas estruturais. Os resultados reológicos para ST e RK demonstraram melhor adaptabilidade ao processo de impressão 3D em termos de trabalhabilidade e capacidade de suporte, levando à sua seleção para as etapas subsequentes do estudo. As propriedades mecânicas e a anisotropia dos compósitos cimentícios impressos em 3D, reforçados com ST e RK, foram investigadas. Os resultados indicaram que a adição de fibras reduziu significativamente a retração do material e melhorou a resistência ao cisalhamento, especialmente nas amostras impressas, com a anisotropia desempenhando um papel fundamental nessas melhorias. Embora alguns defeitos introduzidos durante o processo de impressão tenham reduzido propriedades mecânicas como resistência à tração e compressão, a resistência ao cisalhamento manteve-se estável, destacando o potencial das fibras para melhorar o desempenho estrutural dos compósitos cimentícios impressos em 3D. Este estudo contribui para a compreensão do comportamento do concreto reforçado com fibras aplicado à impressão 3D, demonstrando que o uso de microfibras oferece vantagens no controle da reologia quando avaliado junto às propriedades mecânicas, permitindo a otimização da qualidade e o aumento do desempenho do concreto. Também confirma o importante papel atribuído à anisotropia, devido à construção a partir de filamentos. Os achados também destacam a necessidade de ajustar o processo de impressão e otimizar a distribuição de fibras para alcançar resultados aprimorados em aplicações futuras.