Thiago Melo Grabois
Título
Experimental Fracture Mechanics of Cement Based Materials: A New Methodology for the Accurate Measurement of Material Toughness
Resumo
Apresenta-se, nesta tese, um metodo experimental para caracterizar o comportamento de ssuração em solidos frageis sob esforcos de tração. Em particular, objetiva-se compreender os mecanismos que governam a resistência a propagação de ssuras em pastas a base de cimento quando sua microestrutura e alterada pela inclusão de micro partículas provenientes da reciclagem de resduos de construção e demolição (RCD). A primeira parte do estudo e dedicada a validação de um aparato experimental para uma nova geometria inspirada em corpos-de-prova de tapered double cantilever beam (TDCB). Inicia-se com a solução numérica do problema usando o metodo dos elementos nitos. Em seguida, testes de fratura são realizados em amostras de polimetil-metacrilato (PMMA), um arquetipo de material visco-elastico e fragil. Este metodo permite explorar uma gama de velocidades de ssuração e seu efeito na tenacidade do material. A etapa seguinte do trabalho e dedicada a compreender os efeitos da substituição parcial de cimento Portland (10% em massa) por micro partículas de RCD no comportamento das pastas de cimento. A influência das diferentes inclusões na microestrutura das pastas de cimento e avaliada a partir de ensaios de calorimetria isotermica, resistência a compressão e porosimetria. Observase o desenvolvimento de atividade pozolânica nas pastas com resduos originarios da cerâmica vermelha em contraponto ao de concreto, que apresenta comportamento similar ao de um material inerte. Por fim, ao aplicar o teste de fratura desenvolvido inicialmente, observa-se que a tenacidade das pastas aumenta com a inclusão dos diferentes materiais, o que fica ainda mais evidenciado pelas inclusões não reativas.
Abstract
In this Thesis, we propose a novel experimental method to characterize the fracture behavior of brittle solids in tension. In particular, our goal is to understand better the mechanisms that govern crack propagation resistance in cement based pastes when modifying their regular composition with microparticles from recycled construction and demolition waste (CDW). The rst part of the study is devoted to validating an experimental approach for a new geometry inspired from tapered double cantilever beam (TDCB) specimens. Thus, we start by addressing numerically the problem using nite element method, and then performing fracture tests on samples made of poly-methyl methacrylate (PMMA), an archetype of homogeneous visco-elastic brittle material. Our method allows us to explore a large range of crack velocities and its e ect on the material toughness. The remaining part of the work is devoted to understanding the e ects of the partial replacement of Portland cement (10% wt.) by micro particles of recycled CDW in the behavior of cement pastes. Using experimental techniques to characterize the hydration kinetics, the strength development, and the pore structure, the in uence of each type of inclusion in the microstructure of the pastes is rstly depicted presenting signs of pozzolanic activity of the wastes from red ceramic, in contrast to particles of recycled concrete that shows similarities to inert materials (e.g. quartz). Finally, applying the fracture test developed in the rst part of the thesis, we show that the fracture energy of cement pastes increases when substituting cement by di erent materials, which is even more highlighted when the inclusions are non-reactive materials.
