Mechanical performance of concrete made with aggregates from construction and demolition waste recycling plants

This research aims at analysing the mechanical performance of concrete with recycled aggregates (RA) from construction and demolition waste (CDW) from various locations in Portugal. First the characteristics of the various aggregates (natural and recycled) used in the production of concrete were thoroughly analysed. The composition of the RA was determined and several physical and chemical tests of the aggregates were performed. In order to evaluate the mechanical performance of concrete, compressive strength (in cubes and cylinders), splitting tensile strength, modulus of elasticity and abrasion resistance tests were performed. Concrete mixes with RA from CDW from several recycling plants were evaluated, in order to understand the influence that the RA's collection point, and consequently their composition, has on the characteristics of the mixes produced. The analysis of the mechanical performance allowed concluding that the use of RA worsens most of the properties tested, especially when fine RA are used. On the other hand, there was an increase in abrasion resistance when coarse RA were used. In global terms, the use of this type of aggregates, in limited contents, is viable from a mechanical viewpoint. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Performance of concrete made with aggregates recycled from precasting industry waste: influence of the crushing process

The aim of this paper is to evaluate the influence of the crushing process used to obtain recycled concrete aggregates on the performance of concrete made with those aggregates. Two crushing methods were considered: primary crushing, using a jaw crusher, and primary plus secondary crushing (PSC), using a jaw crusher followed by a hammer mill. Besides natural aggregates (NA), these two processes were also used to crush three types of concrete made in laboratory (L20, L45 e L65) and three more others from the precast industry (P20, P45 e P65). The coarse natural aggregates were totally replaced by coarse recycled concrete aggregates. The recycled aggregates concrete mixes were compared with reference concrete mixes made using only NA, and the following properties related to the mechanical and durability performance were tested: compressive strength; splitting tensile strength; modulus of elasticity; carbonation resistance; chloride penetration resistance; water absorption by capillarity; water absorption by immersion; and shrinkage. The results show that the PSC process leads to better performances, especially in the durability properties.

Mechanical and thermal characterization of a structural polyurethane adhesive modified with thermally expandable particles

Thermally expandable particles (TEPs) are used in a wide variety of applications by industry mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. However, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage. In this study, the behaviour of a structural polyurethane adhesive modified with TEPs was investigated as a preliminary study for further investigations on the potential of TEPs in adhesive joints. Tensile bulk tests were performed to get the tensile properties of the unmodified and TEPs-modified adhesive, while Double Cantilever Beam (DCB) test was performed in order to evaluate the resistance to mode I crack propagation of unmodified and TEPs-modified adhesive. In addition, in order to investigate the behaviour of the particles while encapsulated in adhesives, a thermal analysis was done. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture surface morphology of the specimens. The fracture toughness of the TEPs-modified adhesive was found to increase by addition of TEPs, while the adhesive tensile strength at yield decreased. The temperature where the particles show the maximum expansion varied with TEPs concentration, decreasing with increasing the TEPs content.

Numerical and Experimental Analysis of Balanced and Unbalanced Adhesive Single-Lap Joints between Aluminium Adherends

The single-lap joint is the most commonly used, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of using different thickness adherends on the tensile strength of single-lap joints, bonded with a ductile and brittle adhesive, was numerically and experimentally evaluated. The joints were tested under tension for different combinations of adherend thickness. The effect of the adherends thickness mismatch on the stress distributions was also investigated by Finite Elements (FE), which explained the experimental results and the strength prediction of the joints. The numerical study was made by FE and Cohesive Zone Modelling (CZM), which allowed characterizing the entire fracture process. For this purpose, a FE analysis was performed in ABAQUS® considering geometric non-linearities. In the end, a detailed comparative evaluation of unbalanced joints, commonly used in engineering applications, is presented to give an understanding on how modifications in the bonded structures thickness can influence the joint performance.

Influence of the crushing process of recycled aggregates on concrete properties

This work intends to evaluate the (mechanical and durability) performance of concrete made with coarse recycled concrete aggregates (CRCA) obtained using two crushing processes: primary crushing (PC) and primary plus secondary crushing (PSC). This analysis intends to select the most efficient production process of recycled aggregates (RA). The RA used here resulted from precast products (P), with strength classes of 20 MPa, 45 MPa and 65 MPa, and from laboratory-made concrete (L) with the same compressive strengths. The evaluation of concrete was made with the following tests: compressive strength; splitting tensile strength; modulus of elasticity; carbona-tion resistance; chloride penetration resistance; capillary water absorption; and water absorption by immersion. These findings contribute to a solid and innovative basis that allows the precasting industry to use without restrictions the waste it generates. © (2015) Trans Tech Publications, Switzerland.

Performance of concrete made with recycled aggregates from Portuguese CDW recycling plants

The objective of this research is the production of concrete with recycled aggregates (RA) from various CDW plants around Portugal. The influence of the RA collection location and consequently of their composition on the characteristics of the concrete produced was analysed. In the mixes produced in this research RA from five plants (Valnor, Vimajas, Ambilei, Europontal and Retria) were used: in three of them coarse and fine RA were analysed and in the remaining ones only coarse RA were used. The experimental campaign comprised two tests in fresh concrete (cone of Abrams slump and density) and eight in hardened concrete (compressive strength in cubes and cylinders, splitting tensile strength, modulus of elasticity, water absorption by immersion and capillarity, carbonation and chloride penetration resistance). It was found that the use of RA causes a quality decrease in concrete. However, there was a wide results scatter according to the plant where the RAs were collected, because of the variation in composition of the RA. It was also found that the use of fine RA causes a more significant performance loss of the concrete properties analysed than the use of coarse RA. © (2015) Trans Tech Publications, Switzerland.

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Determinação das propriedades mecânicas à tração de adesivos estruturais frágeis e dúcteis

A crescente evolução na tecnologia das juntas coladas conferiu um potencial atractivo às ligações adesivas, com aplicações nas mais variadas indústrias. Isto deve-se não só aos aspetos económicos, tais como a melhoria da cadência de produção mas também à resistência mecânica que estas proporcionam. A possibilidade de ligar facilmente materiais distintos, a distribuição mais uniforme das tensões, a melhor resistência à fadiga e a elevada capacidade de amortecimento de vibrações estão entre as principais vantagens da utilização deste tipo de ligação. Estas propriedades transformam as juntas coladas numas das preferidas no momento de seleção de meios de união. O trabalho desenvolvido nesta dissertação enquadra-se no âmbito das ligações adesivas e tem como principais objetivos a produção de uma ferramenta para a produção de provetes de adesivo, assim como a determinação das propriedades mecânicas à tração dos mesmos para testar o desempenho do molde fabricado. Para tal, utilizou-se um adesivo frágil (Araldite® AV 138), um dúctil (Araldite® 2015) e um muito dúctil (SikaForce® 7888). Paralelamente é selecionado o método mais adequado na obtenção destes provetes, designadamente escolhendo entre a moldação em molde aberto e a injeção em molde fechado. Com vista à obtenção dos provetes, foi projetado e construído um molde em aço. Recorrendo à máquina de tração Shimadzu AG – X 100, realizaram-se os respetivos ensaios de tração, para a determinação de todas as propriedades mecânicas dos adesivos. Para efeitos de comparação de resultados foram utilizados dois tipos de extensómetros, um mecânico e um ótico. Os resultados experimentais permitiram observar que a presença de vazios afetou especialmente a deformação de rotura e a tensão de rotura. Detetaram-se pequenas discordâncias, comparativamente com os estudos publicados, de algumas características mecânicas obtidas dos diversos adesivos utilizados. Constatou-se também um ligeiro desfasamento entre os valores adquiridos com os dois tipos de extensómetros utilizados.

Probabilistic models for mechanical properties of prestressing strands

This study focus on the probabilistic modelling of mechanical properties of prestressing strands based on data collected from tensile tests carried out in Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), Portugal, for certification purposes, and covers a period of about 9 years of production. The strands studied were produced by six manufacturers from four countries, namely Portugal, Spain, Italy and Thailand. Variability of the most important mechanicalproperties is examined and the results are compared with the recommendations of the ProbabilisticModel Code, as well as the Eurocodes and earlier studies. The obtained results show a very low variability which, of course, benefits structural safety. Based on those results, probabilistic modelsfor the most important mechanical properties of prestressing strands are proposed.

Friction surfacing of aluminium alloys

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Production of aluminium based composites reinforced with embedded NiTi by friction stir welding

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Optimisation and design of post-tensioning anchorage corner blisters in concrete box girder bidges

The design of anchorage blisters of internal continuity post-tensioning tendons of bridges built by the cantilever method, presents some peculiarities, not only because they are intermediate anchorages but also because these anchorages are located in blisters, so the prestressing force has to be transferred from the blister the bottom slab and web of the girder. The high density of steel reinforcement in anchorage blisters is the most common reason for problems with concrete cast in situ, resulting in zones with low concrete compacity, leading to concrete crushing failures under the anchor plates. A solution may involve improving the concrete compression and tensile strength. To meet these requirements a high-performance fibre reinforced self-compacting mix- ture (HPFRC) was used in anchorage corner blisters of post-tensioning tendons, reducing the concrete cross-section and decreasing the reinforcement needed. To assess the ultimate capacity and the adequate serviceability of the local anchorage zone after reducing the minimum concrete cross-section and the confining reinforcement, specified by the anchorage device supplier for the particular tendon, load transfer tests were performed. To investigate the behaviour of anchorage blisters regarding the transmission of stresses to the web and the bottom slab of the girder, and the feasibility of using high performance concrete only in the blister, two half scale models of the inferior corner of a box girder existing bridge were studied: a reference specimen of ordinary reinforced concrete and a HPFRC blister specimen. The design of the reinforcement was based in the tensile forces obtained on strut-and-tie models. An experimental program was carried out to assess the models used in design and to study the feasibility of using high performance concrete only in the blister, either with casting in situ, or with precast solutions. A non-linear finite element analysis of the tested specimens was also performed and the results compared.

Saloplastic membranes as green devices for soft tissue regeneration

Implantable devices must exhibit mechanical properties similar to native tissues to promote appropriate cellular behavior and regeneration. Herein, we report a new membrane manufacture method based on the synthesis of polyelectrolyte complexes (PECs) that exhibit saloplasticity, i.e. variable physical-chemistry using salt as a plasticizer. This is a Green Chemistry approach, as PECs generate structures that are stabilized solely by reversible electrostatic interactions, avoiding the use of harmful crosslinkers completely. Furthermore, natural polyelectrolytes - chitosan and alginate - were used. Upon mixing them, membranes were obtained by drying the PECs at 37ºC, yielding compact PECs without resorting to organicsolvents. The plasticizing effect of salt after synthesis was shown by measuring tensile mechanical properties, which were lower when samples were immersed in high ionic strength solutions.Salt was also used during membrane synthesis in different quan- tities (0 M, 0.15 M and 0.5 M in NaCl) yielding structures with no significant differences in morphology and degradation (around 15% after 3 months in lysozyme). However, swelling was higher (about 10x) when synthesized in the presence of salt. In vitro cell studies using L929 fibroblasts showed that cells adhered and proliferated preferentially in membranes fabricated in the presence of salt (i.e. the membranes with lower tensile strength). Structures with physical-chemical properties controlled with precision open a path to tissue engineering strategies depending on fine tuning mechanical properties and cellular adhesion simply by changing ionic strength during membrane manufacture

Compact saloplastic membranes of natural polysaccharides for soft tissue engineering

The regeneration of soft biological tissues requires new substitutes that exhibit mechanical properties similar to the native tissue. Herein, thin saloplastic membranes with tunable physical properties are prepared by complexation of chitosan and alginate solutions containing different concentrations of sodium chloride. Polyelectrolyte complexes (PECs) are transferred to flat Petri dishes for compaction into membrane shapes by sedimentation and solvent evaporation. All membranes are resistant to degradation by lysozyme and are stable in solutions with pH values between 1 and 13. Immersing the different membranes in new doping solutions of increasing salt concentrations triggers the typical saloplastic behavior, with a high water absorption and decrease of the rigidity and ultimate tensile strength. The range of such variations is tuned by the sodium chloride amount used in the synthesis: high salt concentrations increase water uptake and tensile moduli, while decreasing the ultimate strength. Cellular assays demonstrate high proliferation rates and viability of L929 fibroblasts seeded onto the most rigid membranes. The results validate the use of saloplastic membranes as soft tissue substitutes for future biomedical applications.