Efeito da perda de massa nas propriedades de difusão e de fratura em modo I dos geopolímeros
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Data
2016-02-26
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Resumo
A degradação das propriedades mecânicas causada pela humidade em materiais de
construção, como o betão, é um fator que concerne o tempo de vida útil de uma estrutura.
Desta forma, importa estudar a migração da humidade nestes materiais, e determinar como a
mesma afeta as propriedades de fratura.
Na presente dissertação pretende-se identificar as propriedades de difusão da humidade
e as propriedades de fratura em modo I de uma categoria de geopolímeros reforçados com
fibras e sujeitos à cura nas condições ambiente. Este material, que se encontra em fase de
investigação e desenvolvimento, é caracterizado pela sua sustentabilidade e capacidade de
substituir o cimento no betão. Utilizaram-se duas dimensões de provetes com o propósito de
verificar se existe um efeito de escala nas propriedades.
Ambos os estudos, de difusão da humidade nos geopolímeros e de fratura,
compreendem uma componente experimental e uma componente numérica.
Pela componente experimental, determinou-se a perda de massa M dos provetes com o
tempo de cura, e, posteriormente, caracterizaram-se os mesmos (com diferentes teores de
humidade entre si) à fratura em modo I, através do ensaio SEN-TPB, obtendo-se as curvas
força-deslocamento (curvas P-δ).
Nos estudos numéricos, tendo por base a informação experimental, recorreu-se ao
modelo de Fick para identificar e validar as propriedades de difusão da humidade nos
geopolímeros, aos modelos coesivos para se determinar os parâmetros de fratura da lei
coesiva, e a um método baseado na teoria de vigas e no conceito de fenda equivalente
(CBBM) para obter a evolução, com a perda de massa, das curvas de Resistência (curvas-R) e
da respetiva taxa crítica de libertação de energia, FG .
A reprodutibilidade entre os resultados experimentais e numéricos não foi aceitável para
o estudo da difusão devido às condições de cura instáveis que não permitiram a determinação
das propriedades de difusão; no entanto, mostrou-se satisfatória na identificação das
propriedades de fratura. Dos resultados obtidos concluiu-se que, para ambas as dimensões, FG aumenta linearmente com o aumento da perda de humidade, aproximadamente na mesma proporção.
The degradation of mechanical properties caused by moisture in construction materials, such as concrete, is a factor concerning the useful life of a structure. Therefore, the study of moisture migration in these materials is justified, also to determine how it affects the fracture properties. The present dissertation intends to identify the moisture diffusion properties and the fracture properties in mode I loading of a category of fibre reinforced geopolymers cured at room conditions. This is a material that is still under research and development, characterized for its sustainability and capacity to replace the cement in concrete. Two dimensions of specimen were used to verify whether a size effect exists in its properties. Both moisture diffusion and fracture studies in geopolymers comprise an experimental and numerical component. Weight loss was experimentally determined during the specimens curing time. Later on, those specimens were submitted to fracture under mode I loading (SEN-TPB test), under different moisture loss levels to obtain load-displacement curves. Finite element modelling was used on the basis of the experimental data, applying the Fick’s model to identify and validate moisture diffusion properties in geopolymers. Cohesive parameters were determined using an inverse method, as to replicate the experimental behaviour observed in the experimental work. Then, a data reduction scheme based on beam theory and crack equivalent concept (CBBM) was used to obtain the Resistance curve (Rcurve) and the corresponding critical energy release rate F G . This procedure allowed determining the evolution of FG with the weight loss. The numerical-experimental agreement was not acceptable in the diffusion study due to unstable curing conditions, which do not allow determining the diffusion properties. However, satisfactory agreement was achieved in the identification of fracture properties. The obtained results showed a linear increase of FG with the moisture loss, approximately in the same proportion in both tested specimen sizes.
The degradation of mechanical properties caused by moisture in construction materials, such as concrete, is a factor concerning the useful life of a structure. Therefore, the study of moisture migration in these materials is justified, also to determine how it affects the fracture properties. The present dissertation intends to identify the moisture diffusion properties and the fracture properties in mode I loading of a category of fibre reinforced geopolymers cured at room conditions. This is a material that is still under research and development, characterized for its sustainability and capacity to replace the cement in concrete. Two dimensions of specimen were used to verify whether a size effect exists in its properties. Both moisture diffusion and fracture studies in geopolymers comprise an experimental and numerical component. Weight loss was experimentally determined during the specimens curing time. Later on, those specimens were submitted to fracture under mode I loading (SEN-TPB test), under different moisture loss levels to obtain load-displacement curves. Finite element modelling was used on the basis of the experimental data, applying the Fick’s model to identify and validate moisture diffusion properties in geopolymers. Cohesive parameters were determined using an inverse method, as to replicate the experimental behaviour observed in the experimental work. Then, a data reduction scheme based on beam theory and crack equivalent concept (CBBM) was used to obtain the Resistance curve (Rcurve) and the corresponding critical energy release rate F G . This procedure allowed determining the evolution of FG with the weight loss. The numerical-experimental agreement was not acceptable in the diffusion study due to unstable curing conditions, which do not allow determining the diffusion properties. However, satisfactory agreement was achieved in the identification of fracture properties. The obtained results showed a linear increase of FG with the moisture loss, approximately in the same proportion in both tested specimen sizes.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Geopolímeros (reforçados com fibra) , Fratura , Perda de humidade , Modelo de Fick