Desenvolvimento e análise do desempenho de argamassas para impressão 3D

Abstract

A construção civil enfrenta desafios relacionados à produtividade e sustentabilidade, impulsionando a busca por novas tecnologias para aumentar a eficiência e reduzir o impacto ambiental. A manufatura aditiva de materiais cimentícios, surge como uma solução promissora, oferecendo precisão, flexibilidade de design, e economia de material. Este trabalho investiga o desenvolvimento e a análise do desempenho de argamassas específicas para impressão 3D, com foco nas suas propriedades no estado fresco e endurecido. Primeiramente foram realizados estudos detalhados sobre os materiais e aditivos utilizados, visando melhorar a reologia e as propriedades da impressão, como a construtibilidade e printabilidade. Nesta parte do estudo, através de traços já utilizados, foram analisadas e variadas algumas relações encontradas na argamassa, como cimento/filler, areia/finos e água finos a fim de avaliar e medir a construtibilidade e printabilidade obtida. Foi analisado também, através de um Planejamento de mistura utilizando o modelo estatístico de simplex centroide, diferentes quantidades de três aditivos: incorporador de ar, modificador de consistência e retardador de pega, de forma a avaliar também estas duas características de impressão, onde, através do modelo estatístico citado foi possível obter um ponto ótimo para o traço estudado. Por fim foi feita uma comparação entre a resistência mecânica de corpos de prova moldados e impressos, avaliando o tipo de corte, no estado fresco ou endurecido e a direção de impressão. Para o estado endurecido da argamassa, foram realizados ensaios de compressão uniaxial, tração na flexão, cisalhamento e arrancamento de camada, avaliando em todos estes a diferença do corte na argamassa no estado fresco e no estado endurecido. Para os ensaios de tração na flexão e cisalhamento foi avaliada também a influência da direção de impressão para cordões dispostos longitudinalmente e transversalmente à aplicação da carga, observando-se para o último caso, uma tendência de abertura de fissuras entre um cordão e outro. Por fim foi avaliada a influência dos materiais secos na construtibilidade e printabilidade bem como a influência de cada um dos aditivos. Para as proporções estudadas, a água e a areia afetaram diretamente na construtibilidade e printabilidade enquanto a variação do filler influenciou pouco no comportamento da argamassa. Os aditivos incorporadores de ar e modificadores de consistência apresentaram uma boa performance na argamassa, tornando-a mais trabalhável para impressões, enquanto o retardador de pega tornou a argamassa muito fluida, atrapalhando as características de impressão. Argamassas com boa tixotropia demonstraram melhor desempenho, garantindo a retenção da forma durante e após o processo de impressão, desta forma, foi notado também que a elevação da tensão de cisalhamento máxima da argamassa acarreta no acréscimo da Construtibilidade. Quanto aos ensaios mecânicos, os corpos de prova moldados apresentaram resultados melhores que os impressos, porém dentro deste último, os corpos de prova conformados no estado fresco apresentaram resultados piores do que os cortados no estado endurecido. Os resultados mostram que a definição de um traço ideal, incluindo a proporção de cimento, agregados, e aditivos, são cruciais para otimizar a printabilidade e a construtibilidade das argamassas. Adicionalmente, a pesquisa contribui para a sustentabilidade na construção civil ao propor formulações de argamassas com menor teor de cimento, substituindo-o por materiais de reaproveitamento, como o filler de rocha ornamental utilizado. Palavras-chave: 3dpc; impressão de argamassa; caracterização da argamassa; desempenho no estado fresco; filler de granito; 3dpm.The construction industry faces challenges related to productivity and sustainability, driving the search for new technologies to increase efficiency and reduce environmental impact. Additive manufacturing of cementitious materials emerges as a promising solution, offering precision, design flexibility, and material savings. This work investigates the development and performance analysis of specific mortars for 3D printing, focusing on their properties in both fresh and hardened states. Initially, detailed studies were conducted on the materials and additives used, aiming to improve rheology and printing properties such as buildability and printability. In this part of the study, using pre-existing mix designs, some proportions in the mortar, such as cement/filler, sand/fines, and water/fines, were analyzed and adjusted to evaluate and measure the resulting buildability and printability. A mixture design, utilizing the simplex centroid statistical model, was applied to test different amounts of three additives: air-entraining agent, consistency modifier, and setting retarder, also to evaluate these two printing characteristics, where the statistical model enabled the identification of an optimal mix point. Finally, a comparison was made between the mechanical strength of molded and printed specimens, assessing the cutting type, in the fresh or hardened state, and the printing direction. In the hardened state, uniaxial compression, flexural tensile, shear, and layer pull-off tests were conducted, evaluating in each the differences in mortar cutting at fresh and hardened states. For the flexural tensile and shear tests, the influence of printing direction was also assessed for cords aligned longitudinally and transversely to the applied load, with the latter showing a tendency for crack opening between cords. Lastly, the influence of dry materials on buildability and printability, as well as the effect of each additive, was evaluated. For the studied proportions, water and sand directly affected buildability and printability, while filler variation had little influence on mortar behavior. Air-entraining and consistency-modifying additives showed good performance, making the mortar more workable for printing, while the setting retarder made it too fluid, compromising printing characteristics. Mortars with good thixotropy demonstrated better performance, retaining shape during and after printing; thus, it was noted that increasing the maximum shear stress of the mortar enhances buildability. In mechanical tests, molded specimens showed better results than printed ones; however, within the printed category, specimens cut in the fresh state showed poorer results than those cut in the hardened state. The results indicate that defining an ideal mix, including the proportion of cement, aggregates, and additives, is crucial to optimizing mortar printability and buildability. Additionally, this research contributes to sustainability in construction by proposing mortar formulations with lower cement content, substituting it with repurposed materials, such as the ornamental rock filler used. Keywords: 3dpc; mortar printing; mortar characterization; fresh state performance; granite filler; 3dpm.