Avaliação da construtibilidade e do desempenho mecânico de elementos de concreto com fibras produzidos por manufatura aditiva

Abstract

A tecnologia de impressão 3D de concreto, cujo aumento se deu de forma exponencial nos últimos anos, representa, para o setor da construção civil, a solução de deficiências, como baixa produtividade e alta demanda de mão de obra no canteiro de obras. No entanto, a impressão 3D de concreto enfrenta alguns desafios a serem resolvidos. O primeiro deles está relacionado às suas propriedades no estado fresco, à capacidade do material de passar pelo equipamento em fluxo contínuo e à estabilidade de sua forma após o depósito das sucessivas camadas de concreto. Segundo, os desafios relacionados ao seu estado endurecido, à anisotropia dos elementos de concreto impressos e à união entre as camadas depositadas. Por essas razões, o presente estudo propõe incorporar microfibras de polipropileno e de aço em teores variados, a fim de melhorar o desempenho nos estados fresco e endurecido. Logo, o principal objetivo desse trabalho é o de avaliar os elementos de concreto produzidos por impressão 3D com incorporação de microfibras. O estado fresco é analisado pelo ensaio de estabilidade de forma, em que é avaliada a variação vertical da altura das camadas. No estado endurecido, a resistência à compressão e a aderência intercamadas. Em relação ao estado fresco, a incorporação das microfibras não representou efeitos significativos sobre a estabilidade de formas das camadas. A hipótese principal é que o maior teor de aditivo superplastificante para as amostras com incorporação de microfibras resultou em uma maior fluidez do concreto e, consequentemente, queda da estabilidade de forma das camadas. Já no estado endurecido, algumas melhorias de desempenho foram observadas. Quanto à resistência à compressão axial, as diferentes amostras apresentaram os efeitos da anisotropia. Para a direção de carregamento perpendiculares às camadas, os resultados foram superiores aos paralelos, atingindo uma diferença máxima de 27,04%. Em relação à incorporação das microfibras, obteve-se um ganho de desempenho de 11,58% para as amostras com teores de 0,2% de microfibras de aço em relação à amostra de referência sem microfibras. Por fim, foi possível identificar um ganho de resistência da união entre as camadas na ordem de 13,64% e 18,37% para os elementos com microfibras de polipropileno e de aço, respectivamente.

Abstract: Concrete 3D printing technology, which has increased exponentially in recent years, represents the solution to gaps, such as low productivity and high demand for labor at the construction site for the civil construction sector. However, concrete 3D printing faces some challenges to be solved. The first is related to its properties in fresh concrete, the ability of the material to pass through the equipment in a continuous flow, and its shape?s stability after depositing successive layers of concrete. Second, the challenges related to its hardened state, the anisotropy of the printed concrete elements, and the union between the deposited layers. For these reasons, the present study proposes to incorporate polypropylene and steel microfibers in varying amounts to promote better performance in their fresh and hardened state. Therefore, the main objective of this work is to evaluate the performance of concrete elements produced by 3D printing with the incorporation of microfibers. The fresh concrete is analyzed on the shape stability of the layers, in which the vertical variation of the height of the layers. In the hardened state, axial compressive strength and bond strength between the layers. Regarding the fresh concrete, the incorporation of microfibers did not represent significant effects on the shape stability of the layers. The central hypothesis is that the higher content of superplasticizer additive for the samples with microfiber incorporation resulted in a greater fluidity of the concrete and, consequently, a decrease in the stability of the layers. Already in the hardened state, some performance improvements were observed. As for the axial compressive strength, the different samples showed anisotropy effects. For the perpendicular loading direction to the layers, the results were superior to the parallel ones, reaching a maximum difference of 27.04%. Regarding the incorporation of microfibers, a performance gain of 11.58% for samples with 0.2% of steel microfibers to reference samples without microfibers. Finally, it was possible to identify a gain in bond strength between the layers in the order of 13.64% and 18.37% for elements with polypropylene and steel microfibers, respectively.