Valkiria Zucchetto Padilha
Avaliação das propriedades mecânicas de elementos de concreto produzidos por impressão 3D
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Wellington Longuini Repette
Florianópolis 2020
Valkiria Zucchetto Padilha
Avaliação das propriedades mecânicas de elementos de concreto produzidos por impressão 3D
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Profa. Berenice Martins Toralles, Dra. Universidade Estadual de Londrina
Prof. João Victor Staub de Melo, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Philippe Jean Paul Gleize, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em Engenharia Civil.
____________________________ Coordenação do Programa de Pós-Graduação
____________________________ Prof. Dr. Wellington Longuini Repette
Orientador
Dedico este trabalho às mulheres Leontina Zucchetto, Maria Zucchetto, Fernanda Zucchetto e Antônia Zucchetto, que me inspiram a ir além e às quais amo mais que tudo.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à Deus, por me permitir a vida, e nela fazer as escolhas que me trouxeram até aqui.
Agradeço imensamente à toda minha família, em especial àqueles que estão próximos a mim, vivenciando dia após dia todos os momentos bons, e outros nem tanto, da minha trajetória, Mãe, Coro, Fê e Gui vocês são tudo! Agradeço a minha vó Leontina e minha sobrinha Antônia, à primeira por me mostrar o poder do conhecimento e às duas por todo o amor que me dão em todas as situações. Agradeço também ao Dudu, que esteve ao meu lado em grande parte dessa caminhada, que foi meu apoio por muitas e muitas vezes.
Agradeço a todos os companheiros do NANOTEC, que tornaram o ambiente acadêmico mais leve, entre cafés, risadas, choros e ensaios. Em especial ao Grupo de Pesquisa em Impressão 3D, Ariane, Jéssica e Lucas, muito obrigada por todo conhecimento compartilhado, por todas as ideias discutidas e por toda a ajuda nos períodos de impressão, esse trabalho é apenas o começo, e sem vocês ele não seria possível.
Aos presentes que ganhei nessa jornada, meu parceiro de casa Matheus, e minha parceira de entrar na sala errada Jessyca, agradeço imensamente por tornarem tudo tão especial, por me acalmarem tanto e por me permitirem construir essa amizade tão linda que tenho com cada um. E agradeço também à todas as pessoas especiais do GPEND, que tive o prazer de conhecer e conviver.
Às minhas amigas e amigos da vida, muito obrigada por tudo que representam em minha vida, amo cada um de vocês, e agradeço por cada palavra de incentivo e por todo carinho que demonstram sempre. Saibam que esse trabalho tem um pouco de todos vocês.
À minha sempre orientadora Prof.a Dra Sílvia, não existem palavras que expressem minha gratidão e carinho, tudo só se tornou possível e real graças a você.
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Wellington Repette, por todo conhecimento partilhado, pela tranquilidade que transmitia em momentos difíceis e pela atenção despendida em cada conversa.
Agradeço a Universidade Federal de Santa Catarina, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, e a todos os professores e funcionários que o compõe, e acreditam com afinco na educação e na pesquisa.
Agradeço aos Laboratórios NANOTEC, LMCC e ValoRes, e todos os seus funcionários e colaboradores, indispensáveis ao desenvolvimento dessa pesquisa.
Agradeço à CAPES, FAPESC e CNPq pelo apoio financeiro que tornou possível o desenvolvimento dessa pesquisa.
E por fim, agradeço às empresas Cimento ITAMBÉ, Concrebras, Calwer mineração, MC-Bauchemie, e seus funcionários, por disponibilizarem os materiais utilizados nesta pesquisa.
“A smooth sea, never made a skillful sailor”
RESUMO
No século XXI, devido aos avanços tecnológicos, grande parte dos processos de produção das indústrias são robotizados. Em contrapartida, a indústria da construção civil ainda é uma das mais atrasadas em termos de desenvolvimento tecnológico, porém as inúmeras vantagens na melhora da produtividade, tem gerado avanços nas pesquisas que buscam a utilização de elementos de concreto produzidos por impressão 3D, no setor construtivo. Contudo, a anisotropia dos concretos impressos em 3D, resulta em um comportamento mecânico distinto quando o elemento é submetido à um carregamento na orientação paralela ou perpendicular às camadas. Outro aspecto a ser considerado é o tempo de construção do elemento, e a ligação entre camadas, já que estes concretos não são adensados mecanicamente e a produção é livre de fôrmas. Por essas razões, o presente estudo teve como objetivo avaliar as propriedades mecânicas de elementos de concreto produzidos pelo processo de impressão 3D por extrusão de material, por meio de ensaios de resistência em elementos com variação da orientação e intervalo de impressão entre camadas. A partir de um traço de concreto, estudado previamente, foram moldados corpos de prova adotados como referência (REF) e impressos elementos de concreto de (40x5x5) cm, que geraram amostras ensaiados quanto à resistência à compressão e à tração na flexão, em duas orientações de camadas, e quanto a aderência entre camadas, com intervalos entre camadas de 0, 20 e 40min. Quanto à resistência à compressão, as amostras impressas ensaiadas com orientação no plano paralelo à impressão, apresentaram queda de 15% a 30% em relação ao REF, e as ensaiadas no plano perpendicular apresentaram queda de resistência na ordem de 25% a 42%, em relação ao REF. No ensaio de resistência à tração na flexão, as amostras impressas ensaiadas com orientação no plano paralelo, apresentaram queda de 12% a 32% em relação ao REF, já as ensaiadas no plano perpendicular apresentaram queda na ordem de 28% a 42%, em relação ao REF. Quanto aos intervalos entre impressão das camadas, os resultados de resistência à compressão não apresentaram uma tendência definida, de aumento ou diminuição da mesma, com o aumento do intervalo. Já nos ensaios de resistência à tração na flexão, foi possível identificar que conforme os intervalos de tempo entre a impressão, foram aumentando, os resultados de resistência diminuíram. Na análise de aderência entre camadas não foi possível observar uma tendência de comportamento para tal propriedade. Os elementos de concreto com intervalo de 0min e 40min foram considerados estatisticamente iguais, e ambos significativamente diferentes dos elementos com 20min, que apresentou o menor valor de resistência.
Palavras-chave: Concreto de cimento Portland. Impressão 3D. Impressão 3D de concreto.
ABSTRACT
In the 21st century, due to technological advances, a large part of the industries' production processes are robotized. On the other hand, the civil construction industry is still one of the most backward in terms of technological development, however the numerous advantages in improving productivity, have generated advances in research that seek the use of concrete elements produced by 3D printing, in the construction sector. However, the anisotropy of 3D printed concrete, results in a different mechanical behavior when the element is subjected to a loading in the parallel or perpendicular orientation to the layers. Another aspect to be considered is the construction time of the element, and the connection between layers, since these concretes are not mechanically densified and the production is free of forms. For these reasons, the present study aimed to evaluate the mechanical properties of concrete elements produced by the 3D printing process by extrusion of material, by means of resistance tests on elements with variation in orientation and printing interval between layers. From a concrete mixing, previously studied, specimens adopted as reference (REF) were molded and concrete elements of (40x5x5) cm were printed, which generated samples tested for compressive strength and flexural tensile strength in two layer orientations, and as for the adhesion between layers, with intervals between layers of 0, 20 and 40min. For the compressive strength, the printed samples tested with orientation in the plane parallel to the printing, presented a decrease of 15% to 30% in relation to the REF, and those tested in the perpendicular plane presented a resistance decrease in the order of 25% to 42%, in relation to REF. In the flexural tensile strength test, the printed samples tested with orientation in the parallel plane, showed a drop of 12% to 32% in relation to the REF, whereas those tested in the perpendicular plane showed a decrease in the order of 28% to 42%, in relation to REF. As for the intervals between printing layers, the results of compressive strength did not show a definite trend, either increasing or decreasing, with the increase in the interval. In the flexural tensile strength tests, it was possible to identify that as the time intervals between printing increased, the results of resistance decreased. In the analysis of adhesion between layers, it was not possible to observe a tendency for such property. The concrete elements with an interval of 0min and 40min were considered statistically equal, and both were significantly different from the elements with 20min, which had the lowest strength value.
Keywords: Portland cement concrete. 3D Printing. Concrete 3D Printing. Mechanical
Properties.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Principais tipos de tecnologias de impressão 3D. ... 31
Figura 2 – Tecnologia Contour Crafting: a) Projeto simulando à maquina de impressão 3D em operação; b) Muro (em escala reduzida) sendo construído; c) Construção de modelo para missões em marte/lua (escala reduzida). ... 33
Figura 3 – Tecnologia Concrete Printing: a) Equipamento de impressão 3D; b) Objeto modelo em formato curvilíneo; c) Banco em formato curvilíneo. ... 34
Figura 4 – Tecnologia D-shape: a) Projeto “Radiolaria Pavilion” ano 2008; b) Projeto “UnaCasaTuttaDiUnPezzo” ano 2010. ... 35
Figura 5 – Resultados encontrados no estudo de Roussel (2006) e linha traçada segundo o modelo de Bingham. ... 44
Figura 6 – Ensaio de aderência entre camadas. ... 48
Figura 7 – Fluxograma geral do estudo. ... 52
Figura 8 – Difratograma de raios-X do CP V-ARI. ... 54
Figura 9 – Equipamento de mistura utilizado na produção dos concretos. ... 63
Figura 10 – Modelo esquemático do funcionamento do equipamento utilizado para impressão 3D dos elementos de concreto. ... 64
Figura 11 – Elemento de concreto logo após sua impressão. ... 66
Figura 12 – Elementos de concreto impressos seccionados em amostras para os ensaios de: resistência à compressão e aderência entre camadas (a); e resistência à tração na flexão (b). . 66
Figura 13 – Amostras armazenadas, em processo de cura, aguardando realização dos ensaios. ... 67
Figura 14 – Determinação do índice de consistência (a); equipamento de ensaio para determinação da massa específica (b). ... 67
Figura 15 – Reômetro utilizado na medição da tensão de escoamento do traço adotado. ... 69
Figura 16 – Amostra impressa capeada pronta para realização do ensaio de compressão: orientação paralela (a); orientação perpendicular (b). ... 71
Figura 17 – Amostra moldada (REF) pronta para realização do ensaio de compressão. ... 71
Figura 18 – Amostra impressa evidenciando a lateral do elemento. ... 73
Figura 19 – Amostra moldada (REF) pronta para realização do ensaio de tração na flexão. ... 73
Figura 20 – Amostra impressa no ensaio de tração na flexão: orientação paralela (a); orientação perpendicular (b). ... 74
Figura 21 – Dispositivos confeccionados para ensaio de aderência entre camadas: inicial (a); adaptado/final (b). ... 77 Figura 22 – Amostras durante execução do ensaio de aderência entre camadas. ... 78 Figura 23 – Tensão de escoamento do traço estudado, ao longo dos tempos avaliados. ... 80 Figura 24 – Resistência à compressão axial média dos concretos de referência e grupos impressos (ensaiados paralelamente às camadas) aos 28 dias. ... 85 Figura 25 – Resistência à compressão axial média dos concretos de referência e grupos impressos (ensaiados perpendicularmente às camadas) aos 28 dias. ... 87 Figura 26 – Resistência à compressão axial média dos concretos impressos (ensaiados paralela e perpendicularmente às camadas) aos 28 dias. ... 89 Figura 27 – Resistência à tração na flexão média dos concretos de referência e grupos impressos (ensaiados paralelamente às camadas) aos 28 dias. ... 91 Figura 28 – Resistência à tração na flexão média dos concretos de referência e grupos impressos (ensaiados perpendicularmente às camadas) aos 28 dias. ... 93 Figura 29 – Resistência à tração na flexão média dos concretos impressos (ensaiados paralela e perpendicularmente às camadas) aos 28 dias. ... 94 Figura 30 – Resistência à aderência entre camadas média dos concretos impressos, aos 28 dias. ... 97 Figura 31 – Aspecto visual da interface entre camadas dos grupos de concreto impressos. .... 98
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Resumo dos ensaios realizados e seus parâmetros. ... 60
Quadro 2 – Traço unitário adotado. ... 61
Quadro 3 – Procedimento de mistura dos concretos. ... 62
Quadro 4 – Procedimento de impressão dos concretos. ... 65
Quadro 5 – Procedimento do ensaio de reometria rotacional. ... 69
Quadro 6 – Testes nos equipamentos e materiais para o ensaio de aderência, e definição do procedimento. ... 76
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Características do cimento CP V-ARI. ... 53
Tabela 2 – Composição química do cimento CP V-ARI. ... 54
Tabela 3 – Distribuição granulométrica do CP V-ARI. ... 55
Tabela 4 – Caracterização físico-química da sílica ativa. ... 55
Tabela 5 – Composição química da sílica ativa. ... 56
Tabela 6 – Distribuição granulométrica da sílica ativa. ... 56
Tabela 7 – Composição química do fíler. ... 57
Tabela 8 – Distribuição granulométrica do fíler. ... 57
Tabela 9 – Características da areia natural. ... 58
Tabela 10 – Distribuição granulométrica da areia natural. ... 58
Tabela 11 – Características físico-químicas do aditivo MC-PowerFlow 4000. ... 59
Tabela 12 – Quantidades dos materiais para produção de 5 litros de concreto. ... 62
Tabela 13 – Caracterização do traço no estado fresco. ... 79
Tabela 14 – Resultados do ensaio de reometria rotacional. ... 80
Tabela 15 – Resultados de resistência à compressão média, das amostras produzidas. ... 85
Tabela 16 – Resultados de resistência à tração na flexão, das amostras produzidas. ... 91
Tabela 17 – Resultados do ensaio de aderência entre camadas dos grupos de concreto produzidos. ... 96
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3D – Tridimensional 3DP – 3D printing
a/c – Relação água/cimento a/ag – Relação água/aglomerante
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas Al2O3 – Óxido de Alumínio
ANOVA – Análise de variância
ASTM – American Society for Testing and Materials Athix – Taxa de estruturação
CAD – Computer Aided Design CaO – Óxido de Cálcio
CASAN – Companhia Catarinense de Águas e Saneamento CC – Contour Crafting
CH – Hidróxido de Cálcio CO2 – Dióxido de Carbono
CP V-ARI – Cimento Portland tipo V de Alta Resistência Inicial CuO – Óxido de Cobre
CV – Cavalo-vapor
DRX – Difratograma de raios-X EUA – Estados Unidos da América FDM – Fused Deposition Modeling Fe2O3 – Óxido de Ferro
FRX – Fluorescência de raios-X GeO2 – Dióxido de Germânio
Hz – Hertz
ISO – International Organization for Standardization kN – Quilo Newton
K2O – Óxido de Potássio
kV – Quilo Volt
LMCC – Laboratórios de Materiais de Construção Civil LOM – Laminated Object Manufacturing
MgO – Óxido de Magnésio
MIT – Massachusets Institute of Technology MnO – Óxido de Manganês
MPa – Mega Pascal N – Newton
NANOTEC – Laboratório de Aplicações de Nanotecnologia em Construção Civil Na2O – Óxido de Sódio
NBR – Norma Brasileira NM – Norma Mercosul Pa – Pascal
PR – Paraná
rpm – Rotação por minuto SiO2 – Dióxido de Silício
SLA – Estereolitografia
SLS – Sinterização Seletiva a Laser SO3 – Óxido Sulfúrico
SrO – Óxido de Estrôncio TiO2 – Dióxido de Titânio
UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina
ValoRes – Laboratório de Valorização e Reciclagem de Resíduos na Construção Civil V2O5 – Pentóxido de Vanádio
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 23 1.1 OBJETIVOS ... 25 1.1.1 Objetivo Geral ... 25 1.1.2 Objetivos Específicos ... 26 1.2 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 26 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 28 2.1 MANUFATURA ADITIVA ... 28 2.1.1 Processos de impressão 3D ... 29
2.1.1.1 Processos de impressão 3D de concreto ... 32 2.2 IMPRESSÃO 3D NA CONSTRUÇÃO CIVIL ... 36
2.2.1 Concreto como material de impressão ... 37
2.2.1.1 Estado fresco ... 39
2.2.1.1.1 Reologia e tixotropia ... 42
2.2.1.1.1.1 Taxa de estruturação (Athix) ... 43 2.2.1.2 Estado endurecido ... 44
2.2.1.2.1 Resistência à compressão ... 45
2.2.1.2.2 Resistência à tração na flexão ... 46
2.2.1.2.3 Aderência entre camadas ... 47
2.3 SÍNTESE DA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 49
3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 51 3.1 DESCRIÇÃO GERAL ... 51 3.2 MATERIAIS ... 53 3.2.1 Aglomerantes ... 53 3.2.1.1 Cimento Portland ... 53 3.2.1.2 Sílica ativa ... 55 3.2.1.3 Fíler calcário ... 56
3.2.2 Agregado Miúdo ... 57 3.2.3 Aditivo dispersante ... 58 3.2.4 Água ... 59
3.3 MÉTODOS ... 59
3.3.1 Produção e impressão dos concretos ... 61 3.3.2 Ensaios no estado fresco ... 67
3.3.2.1 Determinação do índice de consistência e massa específica ... 67 3.3.2.2 Taxa de estruturação (Athix) ... 68
3.3.2.3 “Janela” de impressão ... 69
3.3.3 Ensaios no estado endurecido ... 70
3.3.3.1 Resistência à compressão ... 70 3.3.3.2 Resistência à tração na flexão ... 72 3.3.3.3 Aderência entre camadas ... 74
4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 79
4.1 ESTADO FRESCO ... 79
4.1.1 Determinação do índice consistência e massa específica ... 79 4.1.2 Taxa de estruturação (Athix) ... 80
4.1.3 “Janela” de impressão ... 81
4.2 ESTADO ENDURECIDO ... 84
4.2.1 Resistência à compressão axial ... 85 4.2.2 Resistência à tração na flexão ... 90 4.2.3 Aderência entre camadas ... 95 5 CONCLUSÃO ... 99
5.1 Recomendações para trabalhos futuros ... 100
APÊNDICE A ... 107 APÊNDICE B ... 109 APÊNDICE C ... 111
1 INTRODUÇÃO
No século XXI, devido aos avanços tecnológicos, grande parte dos processos de produção das indústrias são robotizados. As indústrias têxtis, automobilísticas, aeroespaciais, metal-mecânicas, dentre outros sistemas de manufaturas, possuem fabricação automatizada de seus produtos. A padronização dos processos, o controle de qualidade mais rigoroso e o desenvolvimento de novas tecnologias foram fundamentais para um aumento da eficiência e ganhos de produtividade nesses segmentos industriais. Em contrapartida, a indústria da construção civil ainda é uma das mais atrasadas em termos de desenvolvimento tecnológico e cumprimento da expectativa do cliente (BUSWELL et al., 2007; PORTO, 2016).
A impressão 3D promete a fabricação de elementos construtivos de maneira totalmente automatizada, em que a personalização e a complexidade são oferecidas sem nenhum custo extra. Em comparação com os sistemas produtivos convencionais, as técnicas de fabricação aditiva têm uma vantagem única na produção de componentes de alta complexidade geométrica e sem o uso de fôrmas. Os setores automotivo, aeroespacial, médico (implantes e próteses), ferramental, entre outros, já adotam a manufatura aditiva como sistema de produção, e o setor da construção – onde geralmente é exigida uma complexidade geométrica e o ganho de produtividade é essencial – vem aos poucos aderindo a esse novo modelo de produção (BOURELL, 2016; LOWKE et al., 2018).
Processos de manufatura aditiva de materiais de matriz cimentícia, geralmente referidos como processos de impressão 3D de concreto, representam uma tecnologia inovadora que elimina a necessidade de moldes convencionais, e por meio do posicionamento de volumes específicos de material em camadas sequenciais – controlado por um software – possibilitando a fabricação de elementos construtivos de concreto (LE et al., 2012b; BUSWELL et al., 2018). Ao menos conceitualmente, esses processos podem ser aplicados em qualquer escala, desde modelos menores, que representam uma aplicação típica atualmente, até a construção de edifícios em escala real, por meio da pré-fabricação dos elementos, ou in loco, em casos mais pontuais (BUSWELL et al., 2007).
A utilização de elementos de concreto produzidos por impressão 3D, apresenta inúmeras vantagens na produtividade do setor. Exemplificando, tem-se a redução dos desperdícios de material, uma vez que o processo de impressão 3D permite saber com maior precisão a quantidade de material requerida na produção; flexibilidade de projeto, pois permite aos projetistas o desenvolvimento de estruturas complexas; redução significativa de mão de
obra, pelo alto grau de automatização; e tempo de construção reduzido, em comparação com a construção em alvenaria convencional (WU; WANG; WANG, 2016).
Algumas empresas, no cenário internacional, já demonstram a possibilidade da aplicação, em escala real, da impressão 3D de concretos pelo processo de extrusão do material (considerado o método mais popular e promissor) como, por exemplo, as empresas Contour
Crafting, XTree, TotalKustom e WinSun, porém, a prática cotidiana e no cenário nacional, ainda
parecem distantes.
Para ser bem-sucedido, um concreto produzido para aplicação na impressão 3D deve apresentar propriedades muito específicas, considerando que o material precisa passar por um primeiro estágio de fluidez, a fim de ser bombeado do reservatório até o bico de impressão, e assim que o concreto for extrudado deve ser rígido o suficiente para suportar seu próprio peso e das camadas subsequentes (SCHUTTER et al., 2018).
A construção de uma estrutura em camadas expõe o material à anisotropia, uma característica usualmente notada em componentes fabricados a partir de processos de impressão 3D. Essa anisotropia pode provocar um efeito significativo na capacidade de carga do elemento em questão, logo, o desenvolvimento de concretos para impressão deve ter como alvo principal
o elevado desempenho mecânico (LE et al., 2012a; BUSWELL et al., 2018; SCHUTTER et al., 2018).
A anisotropia dos concretos impressos em 3D, resulta em um comportamento mecânico distinto quando o elemento é submetido à um carregamento com orientação das camadas no plano em que foram impressas, isto é, primeira camada sobre a segunda na horizontal, e quando a orientação das camadas muda para o plano vertical, primeira camada ao lado da segunda (NGO et al., 2018). Ainda assim, a geometria do elemento submetido ao ensaio, suas dimensões e a qualidade da superfície que a tensão será aplicada, também
contribuem para possíveis discrepâncias e variabilidades nos resultados (SANJAYAN et al., 2018).
Diversos estudos (LE et al., 2012a; LE et al., 2012b; VAN ZIJL; PAUL; TAN, 2016; JIAO et al., 2017; KAZEMIAN et al., 2017; PAUL et al., 2018) procuram compreender e traçar parâmetros para o proporcionamento dos materiais, processos de impressão e ensaios, porém, ainda há muito que se compreender sobre o comportamento do material impresso quando fresco, e seu desempenho quando endurecido, até que seja possível se estabelecer esses parâmetros com nível aceitável de confiança.
Algumas diretrizes já foram estabelecidas pelos pesquisadores (LIM et al., 2012; BUSWELL et al., 2018; SCHUTTER et al., 2018), compreendidas no
primeiro estágio do concreto (mistura no estado fresco), sendo elas: a capacidade de bombeamento do material, isto é, a facilidade com que é movido através do equipamento de impressão; a impressibilidade, capacidade de depositar o material sem deformação considerável; construtibilidade, que representa a capacidade de uma camada em resistir a deposição de outra; e a janela de impressão, isto é, intervalo de tempo de impressão que garante a manutenção dos parâmetros anteriores. Contudo, essas são apenas diretrizes teóricas unificadas, pois não existem ainda normas nacionais ou internacionais que regulamentem e definam em termos práticos, quais seriam as deformações aceitáveis, ou a capacidade de carga do material, por exemplo.
Não existindo regulamentação e balizamento de parâmetros nas idades iniciais das misturas de concreto para impressão 3D, de mesmo modo, as propriedades dos elementos estruturais derivados dessas misturas, no estado endurecido, não se encontram ainda especificadas, dadas às inúmeras condições, já citadas, envolvidas na impressão (BUSWELL et al., 2018).
Diante desse contexto, torna-se importante avaliar as propriedades mecânicas de elementos de concreto impressos em 3D, sob a ótica de variáveis inerentes ao processo, como o intervalo de construção das camadas e a orientação dessas frente às solicitações à que o elemento será submetido.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Avaliar as principais propriedades mecânicas de elementos de concreto produzidos pelo processo de impressão 3D por extrusão de material, por meio de ensaios de resistência em elementos com variação da orientação e intervalo de impressão entre camadas.
1.1.2 Objetivos Específicos
a. Verificar o comportamento dos concretos impressos em 3D, por meio dos ensaios de resistência à compressão axial e à tração na flexão, em elementos com camadas orientadas horizontal e verticalmente;
b. Avaliar a influência de intervalos crescentes de deposição entre camadas, por meio dos ensaios de resistência à compressão axial, à tração na flexão e aderência entre camadas.
1.2 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O presente estudo foi desenvolvido no âmbito do Grupo de Pesquisa em Impressão 3D, integrado ao Laboratório de Aplicações de Nanotecnologia em Construção Civil – NANOTEC, pertencente ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC, e compreendido na Bolsa CNPq de Produtividade em Pesquisa concedida ao Prof. Dr. Wellington Longuini Repette, orientador deste trabalho.
Este documento foi estruturado em cinco capítulos, conforme apresentado e descrito a seguir.
No primeiro capítulo é apresentada uma breve introdução sobre o tema, que consiste na visão geral sobre a impressão 3D, as vantagens de sua aplicação na construção civil, os desafios da construção de elementos impressos em 3D utilizando concreto, e justifica-se a necessidade de investigação das propriedades mecânicas desse material. Em seguida, são apresentados os objetivos geral e específicos propostos, e a estrutura dessa dissertação.
No segundo capítulo é apresentada a fundamentação teórica, que aborda os conceitos de impressão 3D, os processos de fabricação disponíveis para diferentes materiais, incluindo o concreto, e suas aplicações na construção civil. Na sequência, o capítulo aborda o concreto como material para impressão, descrevendo os parâmetros envolvidos na construção de elementos estruturais utilizando a impressão 3D, e as características de comportamento dos concretos impressos frente às propriedades nos estados fresco e endurecido.
No terceiro capítulo é apresentada uma descrição geral do programa experimental adotado no estudo, a caracterização dos materiais utilizados na produção e impressão dos concretos, definição do traço e parâmetros de impressão, os métodos de ensaio avaliados, seus procedimentos e equipamentos.
No quarto capítulo são expostos os resultados obtidos após a realização do programa experimental, e apresentadas suas discussões.
E no quinto capítulo são apresentadas as conclusões, com base nos objetivos propostos, acerca dos resultados obtidos.
Por fim, são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas e apêndices que auxiliam na compreensão dos resultados encontrados.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 MANUFATURA ADITIVA
Segundo a ISO/ASTM 52900:2015, manufatura aditiva1 (do inglês additive
manufacturing) é o processo de junção de materiais, a partir de dados de modelos 3D, para
fabricação de peças, geralmente camada sobre camada, em oposição as metodologias das manufaturas subtrativas e formativas. A impressão 3D2, por sua vez, é definida como a fabricação de objetos, por meio da deposição de material utilizando uma cabeça de impressão, bocal ou outro tipo de tecnologia de impressão. Sendo assim, a manufatura aditiva pode ser considerada mais abrangente, envolvendo desde a concepção de um modelo de produto, até sua fabricação por meio da tecnologia de impressão 3D.
Para Ford e Despeisse (2016) o termo manufatura aditiva compreende uma ampla gama de tecnologias de produção que fabricam produtos camada por camada, permitindo que sejam impressos objetos tridimensionais sob uma determinada demanda. Já Corrêa (2016) destaca que a manufatura aditiva tem como principio básico a estratificação de um modelo tridimensional e sobreposição de camadas impressas, viabilizando a produção rápida de protótipos ou peças funcionais, com as propriedades físicas e mecânicas desejadas.
De acordo com Frazier (2014) a manufatura aditiva pode ser entendida como um processo de união de materiais, sejam eles metais, cerâmicas, polímeros, compósitos, entre outros, para a produção de um objeto, camada após camada, a partir de informações de um modelo 3D, em oposição a manufatura subtrativa.
Buswell et al. (2007) menciona que os termos “fabricação rápida”, “prototipagem rápida”, “fabricação em fôrma livre”, todos se referem a mesma família de processos da manufatura aditiva. Em termos gerais, todos esses processos produzem objetos tridimensionais, juntando um material, camada a camada, para construção de um componente. Os processos de
1
De acordo com a ISO/ASTM 52900:2015, ao longo dos anos foram utilizados outros termos para designar a manufatura aditiva, sendo eles: fabricação aditiva, processos aditivos, técnicas aditivas, fabricação aditiva de camadas, fabricação por camadas, fabricação de sólidos sem fôrmas, e fabricação sem fôrmas.
2 Para a ISO/ASTM 52900:2015 é um termo frequentemente utilizado em contextos não técnicos,
como sinônimo de manufatura aditiva, muito associado a máquinas de baixo custo e de baixa capacidade produtiva (pequenos modelos/objetos). Foi considerada essa terminologia à que melhor se adequou ao processo de construção dos elementos praticados nesse estudo, sendo então, adotado em toda a redação desta dissertação.
manufatura aditiva contrastam com os métodos tradicionais de produção, sendo eles subtrativos e/ou formativos, que utilizam moldes para fabricação de elementos.
2.1.1 Processos de impressão 3D
As primeiras tecnologias para impressão 3D surgiram no início da década de 1980 e foram denominadas de tecnologias de prototipagem rápida devido ao fato de que o processo foi adotado inicialmente, como um método rápido e econômico na criação de protótipos para o desenvolvimento de produtos em indústrias. O primeiro pedido de patente para o desenvolvimento dessas técnicas, foi feito por Hideo Kodama, do Instituto de Pesquisa Industrial Municipal de Nagoya, no Japão, em 1980, pela criação de dois métodos para fabricação de um modelo tridimensional a partir de polímeros foto-endurecedores (PORTO, 2016).
Contudo, considera-se que a origem das impressoras 3D se deu a partir da patente concedida ao Engenheiro Charles Hull, em 1986, por criar o primeiro protótipo de estereolitografia. Formado na Universidade do Colorado (EUA), Charles Hull desenvolveu em 1983 a tecnologia chamada de estereolitografia, que, além de criar lâmpadas para solidificação de resina, confeccionava componentes plásticos, e apresentava flexibilidade e agilidade de produção. No mesmo ano em que foi patenteada, a tecnologia começou a ser comercializada, com a fundação da empresa 3D Systems Corporation, que atua como referência no mercado de impressão 3D até os dias atuais (BOS et al., 2016).
Em meados da década de 1990 a empresa de tecnologia Stratasys produziu uma máquina que utilizava a técnica Fused Deposition Modeling – FDM, a startup DTM fabricou um equipamento de impressão utilizando a Sinterização Seletiva a Laser – SLS, e o termo “impressão 3D” foi evidenciado por Jim Bredt e Tim Anderson, alunos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) nos Estados Unidos (BOURELL, 2016).
Já no século XXI, surgiram inúmeras inovações com o intuito de democratizar o uso da tecnologia de impressão 3D. Após o término da vigência das primeiras patentes, foi possível a comercialização de impressoras de código aberto, como a RepRap, fundada em 2005 pelo Doutor Adrian Bowyer, capaz de imprimir a maior parte dos seus próprios componentes. A maioria das impressoras 3D domésticas (como a já mencionada RepRap, Makerbot, Ultimaker, etc.) utilizam a tecnologia FDM, e oferecem a promessa de que os consumidores poderão
projetar e produzir produtos personalizados de acordo com seus interesses (FORD, DESPEISSE, 2016).
A evolução histórica da impressão 3D pode ser separada em quatro correntes. A primeira é o conceito de prototipagem rápida, utilizada principalmente por universidades, para criação de protótipos com fins educacionais, com custo elevado de materiais e equipamentos. A segunda começou a explorar as aplicações da impressão 3D como técnica de manufatura, no contexto empresarial e principalmente na área médica. A terceira corrente, ao serem confirmadas as possibilidades de aplicação, voltou-se para o estudo dos materiais e equipamentos que poderiam ser empregados, o que gerou aumento da demanda e queda no preço, transferindo o alto custo para os diversos tipos de materiais que podem ser utilizados. E a última, e mais recente corrente, tem a preocupação na substituição dos processos de fabricação tradicionais, pelos processos de impressão em 3D (VEIT, 2018).
As principais técnicas de impressão utilizadas atualmente, subdividas pela forma física com que são empregados os materiais (estado líquido, sólido ou em pó) estão apresentadas na Figura 1, sendo, em tradução livre:
o Modelagem por Fusão e Deposição (FDM); o Estereolitografia (SLA);
o Manufatura de Objetos Laminados (LOM); o Sinterização Seletiva a Laser (SLS); e o Impressão 3D “jato de tinta” (3DP).
Dentre elas, as mais difundidas e às quais os equipamentos e técnicas de impressão 3D no âmbito da construção civil derivaram, são a FDM, SLA e SLS, explicadas detalhadamente na sequência.
Figura 1 – Principais tipos de tecnologias de impressão 3D.
Fonte: Adaptado de VEIT, 2018.
A tecnologia Fused Deposition Modeling foi desenvolvida por Scott Crump, no início da década de 1990, e é baseada na extrusão de termoplásticos. A máquina é formada por um cabeçote de impressão com movimentação nos eixos x e y, que é primeiramente alimentado com o material de impressão. O bico injetor aquece e puxa o filamento plástico que está enrolado em uma bobina fazendo com que o material passe através de dois bicos extrusores situados no cabeçote de impressão, depositando o material na plataforma, formando um objeto a partir de um modelo extraído de um arquivo CAD. Em um dos bicos injetores passa o material que irá compor o objeto, e no outro, o material utilizado como suporte, que é removido, após a conclusão da fabricação (PORTO, 2016; WU; WANG; WANG, 2016). A desvantagem dessa tecnologia está no tempo de construção do produto, que, devido a inércia dos cabeçotes de impressão, tem velocidade de operação reduzida, fazendo a FDM ser um dos processos mais lentos, comparado aos demais apresentados (HUANG et al., 2013).
O processo da estereolitografia (SLA) – conhecida também como foto polimerização – inicia-se com um modelo em CAD traduzido para um arquivo onde as peças são “fatiadas” e cada camada contêm suas próprias informações, como espessura e resolução. A resina de foto polímero líquido é mantida em um tanque onde um leito plano abaixa e parte da resina é imersa a profundidade equivalente a uma camada. São direcionados lasers para ativar a resina e fazer com que ela se solidifique. O leito é abaixado novamente, a próxima camada é construída da mesma maneira, e assim sucessivamente (BUSWELL et al., 2007). As vantagens do modelo são o curto tempo para produção de um objeto e ampla disponibilidade da tecnologia. Porém,
existe uma limitação no tamanho das peças fabricadas, são poucos os materiais que podem ser empregados e por isso o custo dos mesmos é elevado (VEIT, 2018).
A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é um processo que constrói objetos tridimensionais pela superposição de camadas homogêneas em pó. O processo começa com uma camada de pó depositada sobre o leito de fabricação, aquecido a uma temperatura um pouco menor do que a temperatura de fusão do material (que pode ser um polímero, metal, cerâmica, vidro, ou qualquer outro que possa ser pulverizado), o laser é acionado e tem como alvo as áreas do componente final que precisam ser sólidas (BUSWELL et al., 2007). A SLS oferece a construção rápida de peças complexas, e proporciona funcionalidade em relação a outros métodos de impressão 3D, além da fabricação de elementos com boa resistência mecânica e térmica (HUANG et al., 2013).
2.1.1.1 Processos de impressão 3D de concreto
O desenvolvimento dos sistemas de impressão 3D, na indústria da construção, começou em 1998, quando Berokh Khoshnevis da Universidade do Sul da Califórnia (EUA) desenvolveu um processo de impressão em 3D em larga escala chamado “Contour Crafting”. No ano 2007, o engenheiro italiano Enrico Dini criou a tecnologia 3D “D-shape” que utilizava materiais em pó na construção de elementos em escala real. Em 2011, na Universidade de Loughborough (Reino Unido), o grupo de pesquisa de Lim et al. (2012), desenvolveu uma técnica denominada “Concrete Printing”. Com exceção da técnica D-shape, as instalações de impressão 3D em concreto, mencionadas anteriormente, operam com base nos princípios do
Fused Deposition Modeling (FDM).
O processo Contour Crafting (CC) se assemelha ao FDM pois, apesar de não envolver aquecimento e fusão de material durante a extrusão, tanto esta etapa, quanto a de moldagem, são análogos. Utilizando materiais com propriedades de cura rápida e de baixa retração, camadas consecutivas da parede são rapidamente construídas, em uma operação de dois estágios, com a finalidade de melhorar o acabamento da superfície, sendo o material moldado por um manipulador (ou espátula) secundário, quando é extrudado. A combinação desses processos resulta em um sistema que pode depositar (relativamente) grandes quantidades de material, mantendo um acabamento superficial de alta qualidade (CORRÊA, 2016).
O sistema CC é controlado por computador e constituído de um pórtico que transporta o bocal (bico extrusor), que se movimenta em duas faixas paralelas instaladas no local da
construção (Figura 2). Uma única casa ou um conjunto de casas, cada uma com design próprio, pode ser construída, automaticamente, em um único movimento do bocal (KHOSHNEVIS, 2004). Esta tecnologia está atualmente liderando o setor, em termos de uma nova abordagem para automatizar o processo de construção, promovendo uma melhor
qualidade da superfície e maior velocidade de fabricação (KHOSHNEVIS, 2004; BUSWELL et al., 2007).
Figura 2 – Tecnologia Contour Crafting: a) Projeto simulando à maquina de impressão 3D em operação; b) Muro (em escala reduzida) sendo construído; c) Construção de modelo para missões em marte/lua (escala reduzida).
Fonte: Contour Crafting Corporation, 2018.
A impressão 3D de concreto da tecnologia Concrete Printing, da Universidade de Loughborough, também utiliza a extrusão de materiais cimentícios, porém o desenvolvimento do processo tem focado na articulação tridimensional do equipamento, permitindo maior liberdade de geometrias, e na menor dimensão do bico de extrusão, gerando maior precisão nas dimensões interna e externa das peças produzidas (LIM et al., 2012). A máquina de impressão (Figura 3) opera em uma estrutura (5,4x4,4x5,4) m. O sistema compreende em uma cabeça de impressão, controlada digitalmente para se movimentar nas direções x, y e z, através de três vigas de aço acionadas por corrente. Um reservatório de material é instalado no topo da cabeça de impressão e conectado a uma bomba que transporta o material até o bocal de impressão. O processo ocorre em três etapas: preparação dos dados (um componente é projetado em modelo CAD, depois convertido em um formato de arquivo específico e fatiado com a profundidade da camada desejada), preparação do concreto e impressão dos elementos (LE et al., 2012b).
casas em menos de 24h, com uma impressora 3D de (150,0x32,0x6,5) m (FLORÊNCIO et al., 2016).
2.2 IMPRESSÃO 3D NA CONSTRUÇÃO CIVIL
A construção civil tem acompanhado os desenvolvimentos das técnicas de impressão 3D e atualmente tem feito uma série de tentativas de aplicar essa técnica em uma escala real de construção, devido à sua excelente flexibilidade tanto no projeto arquitetônico quanto no estrutural. Vários métodos de fabricação por impressão 3D, em larga escala, são continuamente desenvolvidos e aprimorados, para construir componentes estruturais, camada sobre camada, sem o uso de fôrmas ou qualquer vibração subsequente (MA; LI; WANG, 2018).
Em geral, a impressão 3D tem obtido sucesso com materiais poliméricos extrudados em estado líquido e posteriormente endurecidos, de modo que a aplicação da técnica em concreto, um material que passa por uma transição de fase similar, parece apropriada. Dentre as vantagens da tecnologia estão a arquitetura de forma livre, a maior velocidade de construção, redução de custos de mão-de-obra e fôrmas, e maior segurança para o operário. Além disso, espera-se que a impressão 3D resulte, no futuro, em uma construção mais sustentável, devido aos projetos mais eficientes, depositando material apenas onde é necessário, reduzindo a geração de resíduos, especialmente no que diz respeito às fôrmas (WANGLER et al., 2016).
Ainda, a impressão 3D permite a produção em massa sem comprometer a personalização. A customização em massa, isto é, a criação de produtos levando em consideração pedidos individuais dos clientes, é uma meta para o setor da construção há muitas décadas, e inúmeras tentativas foram feitas para obter a personalização em massa. A tecnologia de impressão 3D, pode representar uma possível solução nesta área, já que pode personalizar o produto final, sem aumentar os custos, pois a impressão de um edifício complexo requer o
mesmo equipamento e material que a impressão de uma construção em bloco (WU; WANG; WANG, 2016).
Nos últimos anos, diferentes tecnologias foram desenvolvidas para adotar a impressão 3D nas construções em concreto. Essas tecnologias baseiam-se, principalmente, em duas técnicas, uma por extrusão de material semissólido e outra que usa materiais em pó e ligantes, para aglutinar as partículas, formando o componente desejado. Os processos que utilizam materiais em pó, são típicos de impressão 3D aplicada em outros setores, capaz de fabricar objetos com detalhes finos e formas complexas (SANJAYAN et al., 2018).
A tecnologia de impressão 3D por extrusão de material, tem características semelhantes ao método FDM. Essa técnica vem sendo muito estudada para aplicação no setor construtivo em grande escala como abordado no tópico seguinte. O procedimento consiste na extrusão do material cimentício por um bocal, geralmente montado em um pórtico, guindaste ou braço robótico, que imprimi a estrutura camada por camada. Embora, a técnica represente um grande potencial, capaz de dar uma contribuição significativa e positiva para a indústria da
construção, existem ainda vários desafios tecnológicos a serem superados (SANJAYAN et al., 2018).
2.2.1 Concreto como material de impressão
O concreto pode ser entendido como um material compósito que contém cimento, adições minerais, água, agregados e aditivos químicos. Quando aplicado na impressão 3D, suas propriedades reológicas dependem da qualidade de cada constituinte utilizado na mistura e suas interações (JIAO et al., 2017).
O bombeamento do concreto pela máquina extrusora, desde o reservatório até o bico de impressão, exige que o tamanho máximo dos agregados utilizados, seja a dimensão máxima aceita para um agregado miúdo, ou seja, concretos extrudáveis geralmente não possuem agregado graúdo em sua composição (REITER et al., 2018). Logo, concretos produzidos para impressão 3D geralmente são compostos por uma combinação de pasta (aglomerante + água), agregados miúdos, que podem ser areias, argilas, fibras, etc. e aditivos químicos, como superplastificantes, modificadores de viscosidade, retardadores e aceleradores de pega, entre outros (LABONNOTE et al., 2016; VAN ZIJL; PAUL; TAN, 2016).
A misturas binárias e ternárias de aglomerantes são uma boa maneira de melhorar inúmeras propriedades dos materiais cimentícios, incluindo trabalhabilidade, propriedades reológicas, resistência e durabilidade. Usualmente, concretos para impressão 3D são produzidos com misturas de cimento Portland e sílica ativa, que possui partículas arredondadas e sua finura pode preencher os vazios entre outras partículas, melhorando a distribuição granulométrica da mistura, aumentando a densidade de compactação e até mesmo proporcionando efeito de lubrificação (JIAO et al., 2017; MA, WANG, 2017).
A reologia dos concretos é afetada pela dosagem da mistura, incluindo a fração volumétrica de aglomerante, sua composição, bem como pelas características dos agregados, isto é, o tamanho das partículas e sua forma (MARCHON et al., 2018). O formato angular
aumenta a resistência à fricção entre as partículas, e assim pode aumentar significativamente a tensão de escoamento e a viscosidade plástica, reduzindo a fluidez da mistura. Partículas planas e alongadas podem aumentar a colisão entre partículas devido à sua forma, já as de superfície lisa e arredondadas, reduzem o atrito entre as partículas e aumentam a fluidez do material (JIAO et al., 2017).
Aditivos químicos que já possuíam ampla aplicação em concreto de alto e ultra alto desempenho, tornaram-se também uma parte indispensável dos concretos para impressão 3D, por apresentarem grande influência no controle das propriedades reológicas no estado fresco, garantindo as propriedades mecânicas após o endurecimento (JIAO et al., 2017).
Os superplastificantes são amplamente utilizados na produção de concreto, por sua capacidade de reduzir a necessidade de água da mistura, mantendo a trabalhabilidade e permitindo a melhoria da resistência. A eficiência dos mesmos depende da adsorção das moléculas nas partículas de cimento e da força repulsiva desenvolvida entre elas. Superplastificantes de terceira geração, possuem efeito de impedimento estérico, mais eficientes do que os de efeito eletrostático (JIAO et al., 2017).
Composição e os tipos de materiais com possibilidade de aplicação em concretos de impressão 3D, ainda estão em estudo, além do fato de empresas privadas serem detentoras de patentes dos processos, e por essas razões, pouco é informado sobre a proporção, tipologia e ao menos quais constituintes são usados em cada estudo.
Le et al. (2012a) utilizaram uma mistura contendo 60% de aglomerante e 40% de areia, não especificando qual o tipo e granulometria da areia utilizada. Essa proporção de aglomerante é compreendida por 70% de cimento, 20% de cinza volante e 10% de sílica ativa e foram adicionadas fibras de polipropileno na quantidade de 1,2 kg/m3. A relação água/aglomerante foi de 0,26, e foi empregada uma composição de aditivos superplastificante (1%) e retardador de pega (0,5%).
Gosselin et al. (2016) utilizaram uma mistura de concreto autoadensável, com as seguintes proporções de aglomerante, em massa, 30-40% de cimento Portland, 40-50% de sílica cristalina, 10% de sílica ativa e 10% de fíler calcário, uma relação água/materiais secos de 0,1, além de aditivo acelerador e uma resina à base de polímeros, com a justificativa de aumentar a qualidade da interface entre camadas.
Ma e Wang (2017) utilizaram como aglomerantes um cimento Portland de rápido endurecimento, cinza volante e sílica ativa. Como agregados miúdos foram utilizadas areias fluviais e escória de mineração (rejeitos de cobre), além de fibras de polipropileno para reduzir
a retração devido ao rápido endurecimento, e aditivo superplastificante à base de policarboxilato, para obtenção da fluidez necessária. Detalhes sobre a proporção dos materiais não foram mencionados na pesquisa.
A fim de ser utilizado como um material para impressão, o concreto necessita se adequar a certos requisitos. Primeiramente, precisa ter um grau aceitável de extrusão de modo que possa ser extrudido a partir do bocal da impressora. Além disso, o concreto deve ligar-se entre si para formar cada camada e ter características de adequação suficientes que lhe permitam colocar-se por baixo corretamente, permanecer em posição, e ser suficientemente rígido para suportar as camadas superiores sem ruptura (WU; WANG; WANG, 2016).
2.2.1.1 Estado fresco
Materiais cimentícios com características adequadas para impressão, comportam-se de maneira análoga ao modelo de Bingham ou Herschel-Bulkley, classificados como visco-plásticos. Eles fluem apenas quando submetidos a tensões mais altas do que um limite crítico chamado de tensão de escoamento. Quando fluem, exibem um comportamento viscoso e a taxa de cisalhamento é proporcional à tensão excedente da tensão de escoamento, expressa pela constante µp, chamada de viscosidade plástica. No entanto, na maioria dos processos de
impressão, os materiais fluem apenas durante as fases de bombeamento/alimentação e deposição, no restante do tempo, eles estão em repouso. Abaixo da tensão de escoamento, esses materiais exibem um comportamento mais ou menos elástico. Após a deposição, para evitar que o material flua, seu comportamento deve ser de um semissólido, capaz de carregar, total ou parcialmente, seu próprio peso, e das camadas subsequentes (ROUSSEL, 2018).
O material precisa ser bombeado até a cabeça de impressão e sair adequadamente pelo bico extrusor, para tanto, existem requisitos específicos sobre a fluidez inicial, sendo esse o primeiro parâmetro importante nos processos de impressão 3D, chamado de “capacidade de bombeamento”, compreendido como a facilidade e a confiabilidade com que o concreto é movido/bombeado através do equipamento/sistema (LIM et al., 2012).
Espera-se que essa fluidez esteja acima de um valor limite, que depende do sistema de bombeamento usado (tecnologia, distância de bombeamento, diâmetro, entre outros). No entanto, tanto a tensão produzida, quanto a viscosidade e a capacidade de formar uma camada de lubrificação, mudam drasticamente conforme os teores de água das misturas são alterados.
Portanto, quanto menores as relações a/c, maiores são as tensões de escoamento e a viscosidade plástica (ROUSSEL, 2018).
O segundo parâmetro refere-se a “impressibilidade” entendida como a facilidade de depositar o material através de um dispositivo de deposição de camadas (LIM et al., 2012). Também conhecida como “extrudabilidade” sendo a capacidade de extrudar a mistura através de um bocal, sem deformação considerável da seção transversal e com um grau aceitável de divisão/ruptura do elemento (BUSWELL et al., 2018). É principalmente influenciada pela trabalhabilidade (consistência) dos concretos, pois é importante que os materiais tenham um
comportamento contínuo e de fluxo fácil, da fonte até o bico de impressão (LE et al., 2012b; PANDA et al., 2016).
A “construtibilidade” é o terceiro parâmetro que deve ser compreendido, e representa a capacidade de resistência de uma camada de material úmido, frente a deposição de outra camada, sem colapsar/deformar (LIM et al., 2012). Como último parâmetro temos a chamada “janela de impressão”, que representa o período de tempo em que as propriedades acima descritas, são mantidas, dentro de tolerâncias aceitáveis, em termos práticos, é o intervalo de tempo entre a construção de duas camadas, e está associada com a manutenção da viscosidade
e a tensão de escoamento da mistura, pontos críticos do processo (LIM et al., 2012; BUSWELL et al., 2018).
Por causa do risco do desenvolvimento de falhas entre as extrusões de cada camada, que podem induzir concentrações de tensões, o material deve ser formulado de tal maneira que as camadas individuais sejam capazes de se unir, isto é, uma janela de impressão que seja curta o suficiente, e que ainda tenha tempo para curar, ou seja, uma janela de impressão longa o suficiente (SCHUTTER et al., 2018).
Wangler et al. (2016) definem uma janela de impressão em função do tempo de produção de uma camada, expressas pelas Equações 1 e 2, a seguir:
𝑡 , = × ×
× (1)
Onde:
® th,min = tempo mínimo de produção de uma camada, em s;
® ρ = massa específica do material, em kg/m3; ® g = constante de gravidade, em m/s2;
® h = altura da camada impressa, em m; ® Athix = taxa de estruturação, em Pa/s.
𝑡 , =
× ×
× ×
(2)
Onde:
® th,max = tempo máximo de produção de uma camada, s;
® ρ = massa específica do material, em kg/m3; ® g = constante de gravidade, em m/s2;
® h = altura da camada impressa, em m; ® µp = viscosidade plástica, em Pa.s;
® V = velocidade horizontal, em m/s; ® Athix = taxa de estruturação, em Pa/s.
O objetivo a ser atingido é garantir que cada camada tenha a capacidade de se manter firme e endurecer, quando colocada sobre as camadas anteriores, e assim que todas as camadas forem depositadas, deve ser mantida uma ligação adequada entre elas, a fim de evitar o colapso estrutural. Em suma, o concreto deve ser relativamente fácil de ser extrudado, ainda que suficientemente viscoso para se manter unido, e adesivo o suficiente para criar um resultado estrutural integrado (PANDA et al., 2016).
Os parâmetros que garantem um bom resultado final na impressão 3D de concreto, são paradoxais, já que a trabalhabilidade necessária para manter um fluxo consistente de material (capacidade de bombeamento) e uma boa extrudabilidade, requer uma longa janela de impressão. Caso contrário, o material enrijecerá, resultando na redução do fluxo e da velocidade de impressão e possivelmente o entupimento da máquina extrusora e bloqueio do processo. Por outro lado, uma grande janela de impressão, pode ser prejudicial no que tange a deformação das camadas, comprometendo a construtibilidade. Assim, as propriedades de extrudabilidade e construtibilidade, são sustentadas pelo conhecimento das propriedades independentes da capacidade de bombeamento e da janela de impressão (LE et al., 2012b).
2.2.1.1.1 Reologia e tixotropia
O controle das propriedades reológicas, expressa normalmente como a trabalhabilidade, de concretos frescos é importante, pois determinará a eficiência do processo de lançamento durante a construção. No caso de novas aplicações como a impressão 3D, ela determinará seu sucesso ou sua falha. No entanto, a trabalhabilidade é melhor descrita por meio de parâmetros reológicos fundamentais, principalmente a tensão de escoamento e a viscosidade plástica do material em questão. A tensão de escoamento é aquela acima da qual o escoamento se inicia, ou abaixo da qual o escoamento termina (MARCHON et al., 2018).
A tixotropia desses materiais e, mais geralmente, sua capacidade de construir uma estrutura interna em repouso, é uma característica fundamental na maioria das aplicações de impressão 3D. Quando o material é depositado, exibe uma tensão de escoamento inicial, uma deformação de cisalhamento crítica inicial e um módulo de cisalhamento elástico inicial. No repouso, esses parâmetros reológicos evoluem, e os resultados experimentais mostram que, enquanto a tensão de escoamento e o módulo de cisalhamento aumentam ao longo do tempo, a deformação de cisalhamento diminui. O material torna-se não só mais forte, maior tensão de escoamento, como também mais rígido, maior módulo de elasticidade (ROUSSEL, 2018).
Como o espaço entre os agregados é saturado pela matriz cimentícia, o limite de elasticidade do concreto usado na impressão 3D é regido pelo comportamento da pasta de cimento. As interações de atração entre os grãos de cimento na pasta, que levam à floculação, e o crescimento dos produtos de hidratação nos pontos de contato entre os grãos de cimento, são os principais mecanismos que levam ao escoamento.
Enquanto a floculação é um fenômeno reversível que ocorre em um curto espaço de tempo, o crescimento dos produtos de hidratação é irreversível e leva mais tempo, explicando, em parte, que o comportamento da estruturação pode ser revertido, em idades precoces, por meio de uma nova mistura. Em processos de impressão, o concreto não deve fluir após sua colocação, e a evolução da tensão de escoamento em repouso é importante. A evolução temporal do limite de escoamento, para um concreto em repouso, é descrita como estruturação (REITER et al., 2018).
Uma rápida estruturação do material pode ser benéfica, entretanto, pode haver um limite para essa taxa de estruturação, do ponto de vista reológico. Altas taxas de estruturação poderiam levar a chamadas juntas frias e fragilizar a interface entre camadas. Roussel (2018)
concluiu que quanto maior o tempo de espera entre as camadas, e quanto maior a tixotropia, mais fraca será a interface.
A eficiência da impressão 3D de concreto depende da obtenção de propriedades reológicas replicáveis e consistentes antes e durante a impressão, tornando a medição extremamente importante. Atualmente, as medições de viscosidade plástica, tensão de escoamento e tixotropia são feitas por meio de reometria rotacional ou oscilatória (BUSWELL et al., 2018).
2.2.1.1.1.1 Taxa de estruturação (Athix)
Na estruturação do concreto, a tensão de escoamento, a deformação crítica e o módulo de elasticidade são todos dependentes do tempo (REITER et al., 2018).
Roussel (2006) propôs um modelo de tixotropia para concretos impressos em 3D, no estado fresco, pressupondo que o modelo de Bingham é suficiente para descrever o fluxo da mistura quando em repouso.
Assume-se então, segundo o autor, que a tensão de escoamento do material, em repouso, aumenta em função do tempo de maneira linear (Figura 5), o que já é válido para muitos materiais. Por essa razão, as abordagens mais recentes que buscam quantificar o comportamento tixotrópico de concretos para impressão 3D, adotam a taxa de estruturação Athix
como parâmetro a ser utilizado no modelo. Para concretos com comportamento não tixotrópico, o Athix é igual a zero, e para concretos com comportamento classificado como sendo muito
tixotrópicos, o Athix encontra-se em torno de 2 Pa/s
do mesmo. Porém, existem outras propriedades igualmente importantes e correlacionadas à resistência à compressão, como a resistência à tração na flexão, capacidade de deformação, entre outras (NEVILLE; BROOKS, 2013).
Um dos principais problemas apresentados por estruturas impressas em 3D, é que elas possuem propriedades anisotrópicas quando orientadas em direções distintas, ao contrário de peças moldadas de maneira convencional, onde as propriedades do material são distribuídas em todas as direções. Uma vez que o produto final é construído camada sobre camada, espera-se que a compatibilidade do elemento seja maior na direção horizontal em comparação com a direção vertical, gerando maior resistência a tensões perpendiculares ao plano de construção (TAY et al., 2017; PAUL et al., 2018).
2.2.1.2.1 Resistência à compressão
Le et al. (2012a) testaram amostras cúbicas moldadas e impressas, quanto à resistência à compressão axial, na idade de 28 dias. As amostras impressas de (10x10x10) cm foram extraídas no estado endurecido, de elementos de (35x35x12) cm e (50x35x12) cm, testados em duas direções de camadas, paralela e perpendicular ao carregamento. Os autores encontraram menores valores de resistência nas amostras retiradas do elemento com maior comprimento, e todos os elementos impressos ensaiados, em qualquer direção, apresentaram resistência à compressão inferior às amostras moldadas. Considerando a orientação das camadas em relação ao carregamento, os autores indicaram que processos de extrusão controlados, que geram visualmente bons elementos, diminuem a anisotropia do material na compressão, entretanto concluíram que a resistência à compressão axial de amostras ensaiadas com camadas na direção vertical, foi menor do que ensaiadas na direção horizontal.
Tay et al. (2017) testaram seções cortadas e extraídas de um objeto impresso, quanto à resistência à compressão em diferentes direções. Os resultados preliminares encontrados pelos autores, mostram que quando aplicada carga na direção perpendicular, os elementos apresentaram maior resistência à compressão, e evidenciaram que as propriedades mecânicas da impressão são uma resposta direta a parâmetros como viscosidade do material, intervalo de tempo de impressão entre as camadas e área de contato entre as sucessivas camadas.
Paul et al. (2018) indicaram que, na impressão 3D, a direção de impressão e o tempo de impressão têm efeitos significativos na capacidade de carga total dos objetos impressos,
ressaltando a importância de uma escolha adequada de direção e tempo de construção, para uma impressão 3D em concreto bem-sucedida.
Wolfs, Bos e Salet (2019) avaliaram a resistência à compressão axial, em amostras de concreto impresso, em duas direções (camadas na horizontal e na vertical), com intervalo de 15s entre a impressão da primeira e segunda camadas. Os autores não encontraram uma relação entre as direções, ambas foram consideradas estatisticamente iguais, porém, quando comparadas à media de resistência obtida nas amostras moldadas, essa foi cerca de 31% maior do que a resistência à compressão das impressas.
2.2.1.2.2 Resistência à tração na flexão
Le et al. (2012a) obtiveram resultados de resistência à tração na flexão de componentes impressos de 13 a 16 MPa, mesma ordem de grandeza das amostras moldadas com resultado médio de 11 MPa, quando ensaiados com as camadas orientadas horizontalmente. Esse efeito foi considerado excepcional pelos autores, que justificaram uma possível melhor compactação (ocorrida durante a impressão) da região inferior do elemento onde ocorre a tensão máxima de tração, aumentando a capacidade de carga do mesmo. No entanto, a resistência à tração na flexão foi significativamente reduzida quando as amostras foram ensaiadas com as camadas na direção vertical, até 36% de redução em relação às amostras moldadas, sendo ressaltado pelos autores que essa direção, neste ensaio, é altamente dependente da resistência de aderência entre as camadas.
Nerella, Hempel e Mechtcherine (2017) testaram elementos impressos de (12,0x2,5x2,5) cm, aos 28 dias, com intervalos de tempo de 1min, 10min e 1 dia e em duas orientações de camadas. Os pesquisadores obtiveram resultados de resistência à tração na flexão ligeiramente menores quando as camadas foram ensaiadas no plano perpendicular ao de impressão, contudo, a ordem de grandeza das resistências manteve-se a mesma (cerca de 10 MPa), desta orientação e da paralela ao plano de impressão. Foi observada queda na resistência nas, duas orientações, quando considerado os tempos de 1min e 1 dia de intervalo, no entanto os autores consideraram não sendo significativa, nos resultados com orientação paralela das camadas.
Wolfs, Bos e Salet (2019) avaliaram a resistência à tração na flexão de corpos de prova impressos em relação à moldados, em três direções de aplicação do carregamento, e obtiveram resultados na mesma ordem de grandeza (4 MPa) tanto para as amostras moldadas quanto às
