Influência da taxa de estruturação nas propriedades reológicas, físicas e mecânicas de concretos para impressão 3D (3DCP)

Abstract

A tecnologia de impressão 3D em concreto vem apresentando um crescimento exponencial nos últimos anos, no setor da construção civil. Concretos imprimíveis exigem, entretanto, um controle tecnológico diferente dos concretos convencionais e o domínio de seu comportamento reológico é fundamental para a implementação da tecnologia. Nesta tese de doutorado, o regime inicial de evolução da resistência do material no estado fresco e em repouso, denominada de ?taxa de estruturação? (Athix) foi investigada, sob efeito do uso de aditivos aceleradores de hidratação. Uma impressora 3D de baixo custo foi desenvolvida para viabilizar a execução do programa experimental e três composições de concreto (sendo duas com aditivos aceleradores) foram produzidas e analisadas. O ensaio de cisalhamento direto e reometria rotacional foram realizados e comparados como métodos para estimar os parâmetros do estado fresco dos concretos. O comportamento no estado fresco, como índice de consistência e perda de trabalhabilidade, densidade de massa, extrudabilidade, consistência dimensional, capacidade de retenção da forma, deformação plástica e construtibilidade, bem como o comportamento no estado endurecido, como resistência à tração e à compressão, de amostras moldadas e impressas, densidade de massa e resistência de aderência à tração, sob a ótica da impressão 3D foram analisados. Os resultados mostraram que ambos os métodos utilizados (cisalhamento direto e reometria rotacional), podem prever a evolução da resistência mecânica inicial do concreto, que pode evoluir ora de forma linear, com o aumento do tempo de descanso, ora de forma exponencial, com o uso de aditivos aceleradores de hidratação. Um modelo matemático para a evolução exponencial da tensão de escoamento é proposto e outro modelo, que prevê a capacidade de construção de concretos imprimíveis, é revisado e atualizado. A taxa de estruturação, de forma geral, não apresentou maiores implicações sobre as propriedades físicas iniciais e sobre algumas propriedades mecânicas dos concretos, em virtude da abordagem de utilização de lotes múltiplos para a construção de camadas. Contudo, alterou de forma expressiva os comportamentos mecânicos de deformação plástica do material e adesão entre camadas, ao longo do tempo. Os resultados ainda levantaram a hipótese de que o uso de aditivos aceleradores na composição dos concretos teria ainda, em alguns casos, um efeito secundário positivo, com o crescimento e precipitação preferencial de etringita e dos produtos de hidratação nas regiões de interfaces das camadas, possibilitando aumentar a janela de impressão, fornecendo maiores resistências à compressão ao concreto impresso.

Abstract: The 3D printing technology using concrete has shown an exponential growth in the past few years in the construction area. However, printable concretes demand a different technological control when compared to conventional concrete, once the understanding of its rheological behavior is fundamental for the implementation of the technology. In this doctoral thesis, the evolution of the material's resistance during the fresh state at rest, called ?structuration rate? (Athix) was investigated, under the effect of hydration accelerating admixtures. A low-cost 3D printer was developed to enable the execution of the experimental program and three concrete compositions (two of them containing accelerating admixtures) were produced and analyzed. The direct shear test and the rotational rheometry test were carried out and compared as methods to estimate the parameters of concretes during the fresh state. For fresh state, the consistency index and loss of workability, mass density, extrudability, dimensional consistency, shape retention capacity, plastic deformation and constructability, and for the hardened state, compressive and tensile strength for casted and printed samples, mass density and the adhesion strength, under the optics of the 3D printing were analyzed. The results showed that both methods (the direct shear test and the rotational rheometry test) can predict the evolution of the initial strength gain in concrete, and also that for both tests such increase evolves in a linear way, over resting time, and in an exponential way, when accelerating admixtures are incorporated into the mix. A mathematical model for the exponential evolution of the yield stress is proposed and, another model, which predicts the ability of stacking concrete layers is reviewed and updated. The structuration rate, in general, had no major influence over the initial physical properties and some of the mechanical properties of mixes, due to the approach of using multiple batches for the stacking of layers. However, it significantly changed the plastic deformation of the material and adhesion between layers, over time. The use of accelerating additives in the tested mixes also had, in some cases, a positive side effect, with the preferential growth and precipitation of etringite and hydration products in the interface regions of the layers, allowing a bigger printing window, providing a gain in compressive strength to the printed concrete.