Investigation of the fracture mode for hard and soft wheat endosperm using the loading-unloading bending test

Investigation of the fracture mode for hard and soft wheat endosperm was aimed at gaining a better understanding of the fragmentation process. Fracture mechanical characterization was based on the three-point bending test which enables stable crack propagation to take place in small rectangular pieces of wheat endosperm. The crack length can be measured in situ by using an optical microscope with light illumination from the side of the specimen or from the back of the specimen. Two new techniques were developed and used to estimate the fracture toughness of wheat endosperm, a geometric approach and a compliance method. The geometric approach gave average fracture toughness values of 53.10 and 27.0 J m(-2) for hard and soft endosperm, respectively. Fracture toughness estimated using the compliance method gave values of 49.9 and 29.7 J m(-2) for hard and soft endosperm, respectively. Compressive properties of the endosperm in three mutually perpendicular axes revealed that the hard and soft endosperms are isotropic composites. Scanning electron microscopy (SEM) observation of the fracture surfaces and the energy-time curves of loading-unloading cycles revealed that there was a plastic flow during crack propagation for both the hard and soft endosperms, and confirmed that the fracture mode is significantly related to the adhesion level between starch granules and the protein matrix.

Novel material combinations for enhanced infrared filter performance

The introduction of non-toxic fluride compounds as direct replacements for Thorium Fluoride (ThF4) has renewed interest in the use of low index fluoride compounds in high performance infrared filters. This paper reports the results of an investigation into the effects of combining these low index materials, particularly Barium Fluoride (BaF2), with the high index material Lead Telluride (PbTe) in bandpass and edge filters. Infrared filter designs using conventional and the new material ombination are compared, and infrared filters using these material combinations have been manufactured and have been shown to suffer problems with residual stress. A possible solution to this problem utilising Zinc Sulphide (ZnS) layers with compensating compressive stress is discussed.

Ex vivo expansion of limbal stem cells is affected by substrate properties

Limbal epithelial stem cells play a key role in the maintenance and regulation of the corneal surface. Damage or destruction of these cells results in vascularisation and corneal opacity. Subsequent limbal stem cell transplantation requires an ex vivo expansion step and preserving cells in an undifferentiated state remains vital. In this report we seek to control the phenotype of limbal epithelial stem cells by the novel application of compressed collagen substrates. We have characterised the mechanical and surface properties of conventional collagen gels using shear rheology and scanning electron microscopy. In doing so, we provide evidence to show that compressive load can improve the stiffness of collagen substrates. In addition Western blotting and immunohistochemistry display increased cytokeratin 3 (CK3) protein expression relating to limbal epithelial cell differentiation on stiff collagen substrates. Such gels with an elastic modulus of 2900 Pa supported a significantly higher number of cells than less stiff collagen gels (3 Pa). These findings have substantial influence in the development of ocular surface constructs or experimental models particularly in the fields of stem cell research, tissue engineering and regenerative medicine.

Effect of shear rupture on aggregate scale formation in sea ice

A discrete element model is used to study shear rupture of sea ice under convergent wind stresses. The model includes compressive, tensile, and shear rupture of viscous elastic joints connecting floes that move under the action of the wind stresses. The adopted shear rupture is governed by Coulomb’s criterion. The ice pack is a 400 km long square domain consisting of 4 km size floes. In the standard case with tensile strength 10 times smaller than the compressive strength, under uniaxial compression the failure regime is mainly shear rupture with the most probable scenario corresponding to that with the minimum failure work. The orientation of cracks delineating formed aggregates is bimodal with the peaks around the angles given by the wing crack theory determining diamond-shaped blocks. The ice block (floe aggregate) size decreases as the wind stress gradient increases since the elastic strain energy grows faster leading to a higher speed of crack propagation. As the tensile strength grows, shear rupture becomes harder to attain and compressive failure becomes equally important leading to elongation of blocks perpendicular to the compression direction and the blocks grow larger. In the standard case, as the wind stress confinement ratio increases the failure mode changes at a confinement ratio within 0.2–0.4, which corresponds to the analytical critical confinement ratio of 0.32. Below this value, the cracks are bimodal delineating diamond shape aggregates, while above this value failure becomes isotropic and is determined by small-scale stress anomalies due to irregularities in floe shape.

Potential reduction of concrete deterioration through controlled DEF in hydrated concrete

Delayed ettringite formation (DEF) is a chemical reaction with proven damaging effects on hydrated concrete. Ettringite crystals can cause cracks and their widening due to pressure on cracked walls caused by the positive volume difference in the reaction. Concrete may show improvements in strength at early ages but further growth of cracks causes widening and spreading through the concrete structure. In this study, finely dispersed crystallization nuclei achieved by adding air-entraining agent (AEA) and short vibration of specimens is presented as the main prerequisite for reducing DEF-induced deterioration of hydrated concrete. The study presents the method and mechanism for obtaining the required nucleation. Controlling long-term DEF by providing AEA-induced crystallisation nuclei, prevented excessive and rapid initial strength improvements, and resulted in a slight increase of compressive strength of fine grained concrete with only marginally lower density.

Modelling the reorientation of sea-ice faults as the wind changes direction

A discrete-element model of sea ice is used to study how a 90° change in wind direction alters the pattern of faults generated through mechanical failure of the ice. The sea-ice domain is 400km in size and consists of polygonal floes obtained through a Voronoi tessellation. Initially the floes are frozen together through viscous–elastic joints that can break under sufficient compressive, tensile and shear deformation. A constant wind-stress gradient is applied until the initially frozen ice pack is broken into roughly diamond-shaped aggregates, with crack angles determined by wing-crack formation. Then partial refreezing of the cracks delineating the aggregates is modelled through reduction of their length by a particular fraction, the ice pack deformation is neglected and the wind stress is rotated by 90°. New cracks form, delineating aggregates with a different orientation. Our results show the new crack orientation depends on the refrozen fraction of the initial faults: as this fraction increases, the new cracks gradually rotate to the new wind direction, reaching 90° for fully refrozen faults. Such reorientation is determined by a competition between new cracks forming at a preferential angle determined by the wing-crack theory and at old cracks oriented at a less favourable angle but having higher stresses due to shorter contacts across the joints

Continuum sea ice rheology determined from subcontinuum mechanics

[1] A method is presented to calculate the continuum-scale sea ice stress as an imposed, continuum-scale strain-rate is varied. The continuum-scale stress is calculated as the area-average of the stresses within the floes and leads in a region (the continuum element). The continuum-scale stress depends upon: the imposed strain rate; the subcontinuum scale, material rheology of sea ice; the chosen configuration of sea ice floes and leads; and a prescribed rule for determining the motion of the floes in response to the continuum-scale strain-rate. We calculated plastic yield curves and flow rules associated with subcontinuum scale, material sea ice rheologies with elliptic, linear and modified Coulombic elliptic plastic yield curves, and with square, diamond and irregular, convex polygon-shaped floes. For the case of a tiling of square floes, only for particular orientations of the leads have the principal axes of strain rate and calculated continuum-scale sea ice stress aligned, and these have been investigated analytically. The ensemble average of calculated sea ice stress for square floes with uniform orientation with respect to the principal axes of strain rate yielded alignment of average stress and strain-rate principal axes and an isotropic, continuum-scale sea ice rheology. We present a lemon-shaped yield curve with normal flow rule, derived from ensemble averages of sea ice stress, suitable for direct inclusion into the current generation of sea ice models. This continuum-scale sea ice rheology directly relates the size (strength) of the continuum-scale yield curve to the material compressive strength.

Modelling signatures of pulsed magnetopause reconnection in cusp ion dispersion signatures seen at middle altitudes

It is shown that the open magnetosphere model can reproduce both the down-going and the up-going magnetosheath ions seen in the cusp and mantle regions by the Polar satellite at middle altitudes. ?he pass studied shows a series of discontinuities in the ion dispersion, most of which are shown to arise from pulses of magnetopause reconnection rate. A total of 9 pulses are detected in an interval estimated to be about 30 min long, giving a mean repetition period of about 3 min: they vary in length between 0.5 min and 3.5 min and are separated by periods of much slower reconnection of duration 1-3 min. One step is not as predicted for reconnection rate pulses but is explained in terms of compressive motions caused by a pulse of solar wind dynamic pressure. The reconnection site is found to be 16 +/- 3 R-E from the ionosphere along the separatrix field line, placing it at low latitudes on the dayside magnetopause.

Electronic structure of Pd multi-layers on Re(0001): the role of charge transfer

Understanding the origin of the properties of metal-supported metal thin films is important for the rational design of bimetallic catalysts and other applications, but it is generally difficult to separate effects related to strain from those arising from interface interactions. Here we use density functional (DFT) theory to examine the structure and electronic behavior of few-layer palladium films on the rhenium (0001) surface, where there is negligible interfacial strain and therefore other effects can be isolated. Our DFT calculations predict stacking sequences and interlayer separations in excellent agreement with quantitative low-energy electron diffraction experiments. By theoretically simulating the Pd core-level X-ray photoemission spectra (XPS) of the films, we are able to interpret and assign the basic features of both low-resolution and high-resolution XPS measurements. The core levels at the interface shift to more negative energies, rigidly following the shifts in the same direction of the valence d-band center. We demonstrate that the valence band shift at the interface is caused by charge transfer from Re to Pd, which occurs mainly to valence states of hybridized s-p character rather than to the Pd d-band. Since the d-band filling is roughly constant, there is a correlation between the d-band center shift and its bandwidth. The resulting effect of this charge transfer on the valence d-band is thus analogous to the application of a lateral compressive strain on the adlayers. Our analysis suggests that charge transfer should be considered when describing the origin of core and valence band shifts in other metal / metal adlayer systems.

Estudo de pelotização e briquetagem de finos de carvão mineral

O aumento da produção de carvão previsto para os próximos anos nas minas da CRM localizadas em Leão, Butiá, RS, originará uma considerável quantidade de finos beneficiados por ciclonagem autôgena. Estes finos caracterizam-se pelos seus altos teores de umidade e granulometria <1 mm o que onera e dificulta os processos de manuseio, estocagem e transporte. O presente estudo visa à análise comparativa dos processos de aglomeração, a briquetagem e a pelotização com o objetivo de obter um produto com melhores características de comercialização do que o atual. As principais variáveis estudadas na aglomeração por briquetagem foram: teor de umidade, tipo e concentração de agente ligante, relação massa/volume de carvão, tempo e pressão de moldagem. Os melhores resultados em termos de resistência à compressão, foram obtidos utilizando um resíduo de refinaria de petróleo - REVAC - como ligante numa concentração de 10% em peso, uma temperatura de cura de 120° C, um tempo de moldagem de 0,5 minutos e uma pressão de compactação entre 150 e 250 kgf/cm². A pelotização foi estudada utilizando um tambor e um disco de laboratório e as principais variáveis estudadas foram: umidade da alimentação, tipo e concentração de agente ligante, temperatura de cura e outras. Os melhores resultados foram obtidos utilizando como ligante MOGUL (amido de milho pré-gelatinizado em pó) numa concentração de 5% em peso, uma faixa de umidade ótima entre 30 e 40%, uma inclinação do disco entre 45 e 51° e uma temperatura de cura de 80 e 100°C. Os resultados obtidos para ambos os carvões (CE 5900 e CE 4700) são discutidos em termos dos diversos fenômenos que ocorrem na interface carvão-solução-ligante e algumas considerações econômicas são apresentadas.

Mapeamento e caracterização geomecânica das unidades geotécnicas de solos oriundos dos granitos, gnaisses e migmatitos de Porto Alegre

O trabalho consta do estudo do meio físico geotécnico do município de Porto Alegre visando a identificação e caracterização de unidades geotécnias, formadas por associações de solos com características físico-morfológicas e origem semelhantes. As unidades geotécnicas são definidas por um estudo de escritório baseado em levantamentos geológicos, pedológicos, topográficos e geográficos e também com o auxílio de fotografias aéreas, acompanhado de uma investigação de campo com a amostragem de perfis das diferentes unidades estimadas. Uma carta com a ocorrência das unidades geotécnicas e com a representação das estruturas geológicas de maior importância geotécina é construída. Destaque é dado ás unidades geotécnicas de solos subtropicais oriundos dos granitos, gnaisses e migmatitos. E executada uma avaliação das características físicas (mineralogia, granulometria, plasticidade, e índices físicos) e propriedades geotécnicas (compressibilidade, colapsividade e resistência ao cisalhamento) dos solos dos principais horizontes de perfis típicos destas unidades. São utilizados ensaios de caracterização, análises mineralógicas de rochas por lâminas delgadas, análises mineralógicas de argilas por meio de difratograma de raio X, ensaios de compressão confinada e ensaios de cisalhamento direto. Os resultados são apresentados em função dos principais horizontes de solos das unidades geotécnicas , são eles horizontes saprolíticos, formados por solo residual que ainda apresentam minerais primários e vestígios estruturais da rocha de origem e horizontes superficiais muitas das vezes laterizados. A análise foi feita à luz dos processos de formação e dos decorrentes fatores que determinam o comportamento geotécnico destes solos de intemperismo subtropical.

Estudo sobre a potencialidade de uso das escórias de aciaria como adição ao concreto

A geração de resíduos tem se mostrado um problema de preocupação mundial crescente. Muitos rejeitos, sejam industriais ou urbanos, muitas vezes acabam por poluir o meio-ambiente, causando problemas de armazenagem de certos materiais. Além disso, materiais alternativos a partir desses rejeitos podem ser mais baratos, apresentando muitas vezes características de desempenho melhores que os materiais convencionais. As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que vem sendo feito atualmente. Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela). Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da escória de aciaria elétrica, com destaque para a proveniente do forno-panela (escória do refino redutor), na indústria da construção civil através de testes em que a escória é utilizada, após moagem, como adição ao cimento Portland comum. Inicialmente foram realizados ensaios de viabilização para se testar a pozolanicidade, resistência à compressão, expansibilidade e profundidade de carbonatação de concretos gerados com diversas adições de escórias de aciaria elétrica. Comprovada a sua viabilidade partiu-se para os ensaios complementares do trabalho utilizando-se somente uma escória do refino redutor. Nesta segunda etapa foram realizados ensaios de caracterização de todos materiais estudados, ensaios de expansibilidade, ensaios mecânicos e de durabilidade dos concretos gerados com esta escória e ensaios de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raios X do material. Após o estudo realizado comprovou-se ser perfeitamente viável a utilização de até 10% da escória do refino redutor (forno-panela- FP) como adição ao cimento para produção de concretos. Inclusive, independente do tempo de estocagem da escória, pode-se constatar melhorias no concreto produzido.

Estudo de solos subtropicais visando o emprego na construção de habitações de baixo custo

Esta pesquisa visa o estudo de características físicas e mecânicas de solos subtropicais, para aplicação na construção de habitações de baixo custo, abordando-se principalmente a técnica de construção com paredes monolíticas compactadas. A opçao pelo estudo do solo, realizado sem a adição de estabilizantes fisico-químicos, baseia-se no fato de que a mesma nem sempre é necessária, embora seja vital em alguns casos. Através da revisão de literatura, são ressaltadas as propriedades dos solos consideradas importantes para construção deste tipo de moradia, bem como os fatores envolvidos na durabilidade da mesma. Foi realizado o estudo de jazidas de solos, pertencentes a algumas das unidades geotécnicas da região metropolitana de Porto Alegre, levando-se sempre em conta este tipo de aplicação. Para tanto, são realizados ensaios laboratoriais de caracterização física dos solos, bem como de comportamento mecânico, testando-se resistência à compressão simples e à erosão, e absorção por capilaridade. Além disso, é feita a análise qualitativa da durabilidade de blocos compactados frente a exposição ao tempo. Estes blocos visam simular a condição de pequenos segmentos de paredes. Os resultados obtidos são analisados e comparados com as recomendações da prática deste tipo de construção, avaliando-se a validade das mesmas para o caso de solos tropicais e subtropicais

Contribuição a inspeção e a avaliação da segurança de estruturas acabadas de concreto armado

Neste trabalho abordam-se as questões relevantes de uma avaliação analítica de estruturas acabadas, apresentando-se os aspectos fundamentais quanto à inspeção e verificação da sua segurança. Primeiramente, apresenta-se os métodos de avaliação, enfatizando-se as vantagens e restrições do emprego de cada método. Quanto à inspeção, são apresentados e discutidos os principais ítens que devem ser verificados nas estruturas acabadas. :t:nfasemaior é dada à inspeção da resistência do concreto, discutindo-se aspectos de sua variação nas ~struturas e apresentando-se os métodos de ensaio empregados. É proposta uma metodologia para a inspeção do concreto, racionalizando-se o emprego dos métodos não-destrutivos. Por fim, destaca-se os aspectos teóricos da verificação da segurança nas estruturas acabadas e as principais diferenças quanto à introdução da segurança nos projetos de novas estruturas.

Estudo da viabilidade técnica para a Bolívia de painéis de gesso reforçados com fibra de vidro para paredes internas não portantes

Na construção civil, nos países em desenvolvimento como a Bolívia, continua-se usando técnicas e materiais na execução de paredes, similar a décadas passadas. Os painéis de gesso reforçados com fibra de vidro são uma alternativa de simplificação e agilização na execução das paredes internas não portantes. A presente dissertação objetiva mostrar a viabilidade técnica e econômica dos painéis para paredes internas, na Bolívia; para tanto realizou-se uma avaliação dos recursos disponíveis (gesso), com relação às reservas, produção e custos. A técnica adotada na produção dos painéis é a de pré-mistura, que permite a moldagem dos painéis manual ou mecanicamente com equipamentos simples e de baixo custo. O estudo do compósito de gesso reforçado com fibra de vidro (GRG) foi realizado com gesso brasileiro e com gesso boliviano, verificando-se o seu comportamento mecânico com diferentes teores de fibra de vidro. Verificou-se aumento da resistência a tração na flexão e diminuição da resistência a compressão com o aumento do teor de fibra de vidro. A avaliação do comportamento mecânico dos painéis foi feita através dos ensaios de impacto (corpo mole e corpo duro). Nos ensaios de corpo mole, verificou-se aumento da resistência com o aumento do teor de fibra de vidro. Os teores de 0,75% e 1,5% se mostraram suficientes para que os painéis de GRG satisfaçam os requisitos de desempenho para divisórias internas respectivamente para o gesso brasileiro e boliviano. O comportamento dos painéis nos ensaios de impacto de corpo duro foi satisfatório, tanto para painéis com fibra como para painéis sem fibra de vidro. No estudo preliminar de custos, verificou-se uma redução em torno de 36% para os painéis de GRG em relação às paredes intemas tradicionalmente usadas na Bolívia.