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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/42320
Tipo: Tese
Título: Desenvolvimento de compósitos álcali-ativados reforçados com fibras de vidro para impressão 3D
Título(s) alternativo(s): Development of alkali-activated composites reinforced with glass fibers for 3D printing
Autor(es): Amaral, Igor Brumano Coelho
Primeiro Orientador: Cilla, Marcelo Strozi
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Lima, Paulo Roberto Lopes
metadata.dc.contributor.referee1: Cilla, Marcelo Strozi
metadata.dc.contributor.referee2: Crovace, Murilo Camuri
metadata.dc.contributor.referee3: Lameira, Rodrigo de Melo
metadata.dc.contributor.referee4: Santos, Geraldo José Belmonte dos
metadata.dc.contributor.referee5: Dias, Cléber Marcos Ribeiro
Resumo: A indústria da construção civil busca alternativas mais sustentáveis ao cimento Portland, um grande emissor de CO2. Nesse contexto, os cimentos álcali-ativados (CAA) ou geopolímeros destacam-se por utilizarem rejeitos industriais, diminuindo o impacto ambiental e, potencialmente, melhorando propriedades mecânicas. Adicionalmente, a impressão 3D surge como uma tecnologia disruptiva para o setor, permitindo a criação de geometrias complexas, automação, redução de desperdícios e custos. O objetivo desta tese foi desenvolver e avaliar o comportamento físico e mecânico de compósitos álcali-ativados reforçados com fibras de vidro para aplicação em impressão 3D. A metodologia incluiu a caracterização de precursores (metacaulim, escória de alto forno e de aciaria) e ativador (metassilicato de sódio). Optou-se pelo método de álcali-ativação de "uma parte", misturando os materiais secos – precursor, ativador e fibras de vidro AR de 6 mm (0%, 1,0%, 1,5% e 2,0%) – antes da adição de água. Um planejamento fatorial 2 k auxiliou na definição da dosagem ideal. Testes preliminares revelaram que matrizes com escórias eram inviáveis para a impressão 3D com o equipamento disponível, levando à escolha do metacaulim como precursor principal. A dosagem ideal para o MK foi estabelecida com relações molares de SiO₂/Al₂O₃ = 3,2, SiO₂/Na₂O = 4,0 e Na₂O/Al₂O₃ = 0,8. As propriedades no estado fresco foram analisadas por ensaios de tempo de pega (Vicat e calorimetria) e reologia (Squeeze Flow). No estado endurecido, avaliaram-se a resistência à compressão axial (corpos de prova cúbicos) e à flexão em quatro pontos (prismas 160x40x20 mm), tanto moldadas quanto impressas em 3D. Foram investigados padrões de preenchimento linear intercalado (perpendicular) e colmeia, ambos com 50% de preenchimento e um protótipo de placa cimentícia inspirado na estrutura da Vitória Régia também foi desenvolvido. Resultados demonstraram que amostras moldadas reforçadas com fibras apresentaram aumento na carga de ruptura (até 125% com 2,0% de fibras) e capacidade de carga residual pós fissuração, indicando maior tenacidade. Amostras impressas em 3D com padrão linear intercalado também exibiram aumento na carga de ruptura com a adição de fibras (cerca de 21,4%). Notavelmente, a maioria dessas amostras impressas apresentou maior Absorção Específica de Energia (SEA) que as moldadas, evidenciando o benefício do alinhamento de fibras promovido pela extrusão. Em contraste, o padrão de preenchimento colmeia resultou em uma redução significativa da carga de pico (67,6%) e da tenacidade, devido ao não alinhamento das fibras com a direção principal dos esforços. O protótipo inspirado na Vitória Régia foi impresso com sucesso, validando a viabilidade de geometrias complexas, embora necessite de otimização nos parâmetros de impressão. Conclui-se que a tese demonstrou a viabilidade do desenvolvimento de compósitos álcali-ativados à base de metacaulim reforçados com fibras de vidro para impressão 3D. A adição de fibras de vidro melhorou significativamente o comportamento mecânico pós-fissuração e a tenacidade dos compósitos, tanto moldados quanto impressos, sendo o teor entre 1,0% e 1,5% o mais adequado para manter a qualidade da impressão.
Abstract: The construction industry is seeking more sustainable alternatives to Portland cement, a major CO2 emitter. In this context, alkali-activated cements (AACs) or geopolymers stand out for their use of industrial byproducts, thereby reducing environmental impact and potentially enhancing mechanical properties. Additionally, 3D printing is emerging as a disruptive technology for the sector, enabling the creation of complex geometries, process automation, and reductions in waste and costs.The objective of this thesis was to develop and evaluate the physical and mechanical behavior of alkali-activated composites reinforced with glass fibers for 3D printing applications. The methodology included the characterization of precursors (metakaolin, blast furnace slag, and steel slag) and an activator (sodium metasilicate). The "one-part" alkali-activation method was chosen, mixing the dry materials – precursor, activator, and 6 mm AR glass fibers (0%, 1.0%, 1.5%, and 2.0%) – before adding water. A 2 k factorial design assisted in defining the optimal dosage. Preliminary tests revealed that slag-based matrices were unfeasible for 3D printing with the available equipment, leading to the selection of metakaolin (MK) as the main precursor. The optimal dosage for MK was established with molar ratios of SiO₂/Al₂O₃ = 3,2, SiO₂/Na₂O = 4,0, and Na₂O/Al₂O₃ = 0,8. Fresh-state properties were analyzed by setting time tests (Vicat and calorimetry) and rheology tests (Squeeze Flow). In the hardened state, axial compressive strength (cubic specimens) and four- point flexural strength (160x40x20 mm prisms) were evaluated for both molded and 3D printed samples. Linear interleaved (perpendicular) and honeycomb infill patterns, both with 50% infill, were investigated, and a cementitious plate prototype inspired by the Victoria Regia structure was also developed. Results showed that fiber-reinforced molded samples exhibited an increase in rupture load (up to 125% with 2.0% fibers) and post-cracking residual load capacity, indicating higher toughness. 3D printed samples with a linear interleaved pattern also showed an increase in rupture load with fiber addition (around 21.4%). Notably, most of these printed samples showed higher Specific Energy Absorption (SEA) than molded ones, highlighting the benefit of fiber alignment promoted by extrusion. In contrast, the honeycomb infill pattern resulted in a significant reduction in peak load (67.6%) and toughness, due to the non-alignment of fibers with the main stress direction. The Victoria Regia-inspired prototype was successfully printed, validating the feasibility of complex geometries, although it requires optimization of printing parameters. It is concluded that the thesis demonstrated the feasibility of developing metakaolin-based alkali-activated composites reinforced with glass fibers for 3D printing. The addition of glass fibers significantly improved the post-cracking mechanical behavior and toughness of the composites, both molded and printed, with a content between 1.0% and 1.5% being the most suitable for maintaining print quality.
Palavras-chave: Álcali-ativação
Geopolímeros
Manufatura aditiva
Fibras de vidro
Reforço de compósitos
Tenacidade
Biomimética
Sustentabilidade
Escórias
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil (PPEC) 
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/42320
Data do documento: 27-Set-2024
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