Análise dos mecanismos de capilaridade em corpos porosos

Na sua grande maioria os materiais correntes de construção são porosos e, como tal, susceptíveis à ascensão capilar. Um dos principais elementos expostos a este fenómeno são as paredes de alvenaria que, dado o seu contacto directo com o solo, levam a que a ascensão capilar se processe de forma intermitente em função das estações do ano e do nível freático dos terrenos. Na sua constituição, têm maioritariamente pedra ou tijolo ligados por uma argamassa, podendo ou não ter uma camada de enchimento que separa dois panos de alvenaria. Dada a heterogeneidade destes elementos, o fenómeno desenrolar-se-á de uma forma diferenciada entre diferentes materiais e a zona que os separa (interface), em especial devido à grande diferença de porometria dos materiais. Para além deste ponto, o fluxo pode ser interrompido ou alterado por um elemento que constitui a parede, alternando a forma como a humidade absorvida. No âmbito deste trabalho, recolheram-se amostras de materiais utilizados nas paredes de alvenaria em Portugal, nomeadamente o calcário, o granito e o tijolo bem como materiais granulares que fazem o enchimento entre dois panos de alvenaria. Para conhecer a estrutura porosa dos materiais ensaiados, realizaram-se ensaios de porometria com recurso ao porosimetro de mercúrio e foi feita a caracterização dos materiais com base no método gravimétrico que combinados com os ensaios de absorção capilar em diferentes disposições, o que permitiu conhecer de que forma a combinação de materiais com diferentes gamas de poros afecta o comportamento capilar. Foi, ainda, realizada uma análise da ascensão capilar em amostras com diferentes teores de água iniciais. A conjunção de todos os resultados permitiu constatar que o tipo de interface entre corpos porosos não tem influência na ascenção capilar e que variações na absorção capilar a partir desta zona são resultado da diferença de porometrias sendo as condicionantes apresentadas na presente dissertação.

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.

Análise experimental da resistência ao corte do núcleo interior de alvenarias de pano múltiplo consolidadas com injecção de grouts

A quantidade de edifícios em degradação em Portugal que necessita de reabilitação é bastante elevada. As alvenarias antigas e históricas por vezes apresentam um estado avançado de degradação por ineficiente concepção ou por falta de manutenção. Desta forma as alvenarias necessitam de acções de reforço e consolidação com o intuito de fortalecer as suas resistências a diversos tipos de carregamentos. A presente dissertação está relacionada com uma técnica de consolidação das mais utilizadas e actuais, a injecção de grouts em alvenarias. O reforço por injecção de grouts é bastante utilizado em alvenarias de pano múltiplo, onde permite uma maior coesão entre materiais, uniformidade de tensões e continuidade de panos. Os principais objectivos de consolidação de uma alvenaria através da técnica de injecção de grouts são: a ocupação de espaços vazios de forma a aumentar a sua rigidez e a sua resistência; e o restabelecimento das ligações entre panos que ao longo do tempo deixou de existir, ou seja, um comportamento monolítico quando aplicado um carregamento vertical ou horizontal como um sismo. Daí a importância da análise de resistência ao corte numa da alvenaria de pano múltiplo. O presente trabalho teve uma componente laboratorial muito extensa, onde se efectuou injecções em modelos paralelipipédicos simulando o núcleo interior de uma parede de alvenaria antiga. O grout constituído por cal hidraúlica, superplastificante e água foi injectado no molde com um dos meios porosos de um dos dois materiais, calcário ou cerâmico. Após a cura cortaram-se em fatias os provetes e analisou-se a velocidade de propagação de ultra-sons com dois tipos de trandutores (cilíndricos e cónicos). Os ensaios mecânicos utilizados foram o diagonal test e o ensaio de corte directo de modo a determinar a resistência ao corte e finalmente comparou-se os valores dos ensaios para determinação das propriedades. Ainda com o intuito de avaliar as ligações grout-partícula do meio poroso foram avaliadas algumas fotografias tiradas a partir da lupa binocular. A técnica de injecção de grouts demonstrou-se uma técnica muito interessante e eficiente na análise de corte, no entanto esta técnica apresenta melhores resultados quando é utilizada em consonância com outras técnicas.

Punçoamento cíclico de lajes fungiformes com armadura específica

Neste trabalho apresenta-se o estudo experimental desenvolvido com o intuito de analisar o comportamento de lajes fungiformes maciças com armadura específica de punçoamento solicitadas por carregamentos horizontais cíclicos. Foram analisados três modelos de laje fungiforme correspondentes a uma ligação lajepilar interior. Em dois dos modelos foram instaladas armaduras de punçoamento na forma de estribos fechados e o restante modelo foi utilizado como modelo de referência, não incluindo qualquer armadura de punçoamento. Todos os modelos foram sujeitos a uma carga gravítica que corresponde a 50% da carga de rotura prevista pelo EC2 e a um carregamento horizontal cíclico com intensidade crescente até se atingir a rotura por punçoamento do modelo. A armadura específica de punçoamento utilizada é do tipo estribo fechado, com pormenorização semelhante entre modelos, sendo o parâmetro diferenciador a quantidade de armadura específica instalada. Os resultados experimentais são analisados quanto à carga e modo de rotura, deformação dos modelos, extensões verificadas nas armaduras (longitudinal e específica) e comportamento histerético dos modelos. Os valores das cargas de rotura obtidos são comparados com os previstos pelo EC2, ACI318M-11 e MC2010. A capacidade de deformação lateral dos modelos é comparada com os requisitos impostos pelo SEI/ASCE 7-10.

Análise da influência da alteração do ângulo de contacto na injectabilidade de grouts

Actualmente, a grande maioria dos monumentos e edifícios antigos que constituem os centros históricos e urbanos necessitam de profundas intervenções de reabilitação. Um dos seus principais problemas incide sobre as alvenarias de pedra que, devido à sua heterogeneidade, apresentam limitações a nível estrutural. Neste contexto, e também para correcção de outras anomalias existentes, são realizadas intervenções de consolidação de modo a torná-las funcionais e seguras face às exigências actuais. Uma das técnicas mais utilizadas de consolidação dessas alvenarias é a injecção de grouts, que tem sido considerada adequada no restabelecimento da compacidade, uniformidade de tensões e continuidade entre diferentes panos de alvenaria antiga. A utilização desta técnica de consolidação tem como objectivo não só aumentar a compacidade da parede de alvenaria através do preenchimento dos vazios existentes e, consequentemente, a resistência mecânica do meio injectado, mas também criar uma ligação entre os diferentes panos, incrementando o comportamento monolítico da alvenaria. Outro aspecto não menos importante a ter em conta numa injecção de grout reside na compatibilidade com os materiais existentes. Neste estudo, optou-se pela utilização de um grout a base de cal hidráulica tendo em conta as suas características química, física e mecânica com os materiais de alvenarias antigas. O grout deve ser concebido de forma a obter o melhor desempenho, quer a nível de injectabilidade, quer de durabilidade. Assim, optou-se por fazer um estudo prévio da composição do grout considerando-se a presença de diferentes quantidades de superplastificante. Aliás, o estudo das características do meio poroso considera-se tão relevante como o estudo das características do grout. Após inserido no meio poroso, devido às características de absorção das partículas constituintes do meio, o grout vai perdendo as suas propriedades (perda de água da sua composição), surgindo consequentemente problemas de penetração do grout. Neste sentido, no presente trabalho é abordado um novo factor no processo de injecção que tem como objectivo diminuir esse efeito de sucção da água constituinte do grout por parte do meio poroso, através da alteração do ângulo de contacto entre o grout e o meio poroso. Com o intuito de estudar o factor diferenciador da injecção referido e de avaliar a eficiência da injecção de grouts nesses meios porosos, procedeu-se à criação de modelos que simulassem, com a maior fiabilidade possível, diferentes permeabilidades passíveis de caracterizar o núcleo interior de alvenarias antigas. De modo a avaliar a qualidade destas injecções de grout recorreu-se a ensaios de ultra-sons e à técnica de tomografia ultra-sónica. A combinação destas técnicas de análise não-destrutivas revelou-se de grande utilidade na aferição da morfologia interna dos modelos criados, permitindo a obtenção de informações qualitativas e quantitativas sobre os meios porosos em estudo. Foram também realizados ensaios de resistência à tracção por compressão diametral de forma a conhecer as resistências mecânicas e as respectivas relações com a qualidade de injecção dos meios porosos.

Electrokinetic treatment of environmental matrices. Contaminants removal and phosphorus recovery

There is a need to develop viable techniques for removal and recovery organic and inorganic compounds from environmental matrices, due to their ecotoxicity, regulatory obligations or potential supplies as secondary materials. In this dissertation, electro –removal and –recovery techniques were applied to five different contaminated environmental matrices aiming phosphorus (P) recovery and/or contaminants removal. In a first phase, the electrokinetic process (EK) was carried out in soils for (i) metalloids and (ii) organic contaminants (OCs) removal. In the case of As and Sb mine contaminated soil, the EK process was additionally coupled with phytotechnologies. In a second phase, the electrodialytic process (ED) was applied to wastes aiming P recovery and simultaneous removal of (iii) toxins from membrane concentrate, (iv) heavy metals from sewage sludge ash (SSA), and (v) OCs from sewage sludge (SS). EK enhanced phytoremediation showed to be viable for the remediation of soils contaminated with metalloids, as although remediation was low, it combines advantages of both technologies while allowing site management. EK also proved to be an effective remediation technology for the removal and degradation of emerging OCs from two types of soil. Aiming P recovery and contaminants removal, different ED cell set-ups were tested. For the membrane concentrates, the best P recovery was achieved in a three compartment (3c) cell, but the highest toxin removal was obtained in a two compartment (2c) cell, placing the matrix in the cathode end. In the case of SSA the best approach for simultaneous P recovery and heavy metals removal was to use a 2c-cell placing the matrix in the anode end. However, for simultaneous P recovery and OCs removal, SS should be placed in the cathode end, in a 2c-cell. Overall, the data support that the selection of the cell design should be done case-by-case.

Chondrogenic differentiation within magnetic-responsive multilayered liquified capsules containing collagen II/TFG-β3 coated microparticles

The use of stem cells is a promising therapeutic approach for the substantial challenge to regenerate cartilage. Considering the two prerequisites, namely the use of a 3D system to enable the chondrogenic differentiation and growth factors to avoid dedifferentiation, the diffusion efficiency of essential biomolecules is an intrinsic issue. We already proposed a liquified bioencapsulation system containing solid microparticles as cell adhesion sites1. Here, we intend to use the optimized system towards chondrogenic differentiation by encapsulating stem cells and collagenII-TGF-β3 PLLA microparticles. As a proof-of-concept, magnetite-nanoparticles were incorporated into the multilayered membrane. This can be a great advantage after implantation procedures to fixate the capsules in situ with the held of an external magnetic patch and for the follow-up through imaging. Results showed that the production of glycosaminoglycans and the expression of cartilage-relevant markers (collagen II, Sox9, aggrecan, and COMP) increased up to 28 days, while hypertrophic (collagen X) and fibrotic (collagen I) markers were downregulated. The presence of nanofibers in the newly deposited ECM was visualized by SEM, which resembles the collagen fibrils of native cartilage. The presence of the major constituent of cartilage, collagen II, was detected by immunocytochemistry and afranin-O and alcian blue stainings revealed a basophilic ECM deposition, which is characteristic of neocartilage. These findings suggest that the proposed system may provide a suitable environment for chondrogenic differentiation.

Tendon regeneration through a scaffold-free approach: development of tenogenic magnetic hASCs sheets

Tendon's regeneration is limited, demanding for cell-based strategies to fully restore their functionality upon injury. The concept of magnetic force-based TE(1), generally using magnetic nanoparticles may enable, for example, stem cell stimulation and/or remote control over TE constructs. Thus, we originally propose the development of magnetic cell sheets (magCSs) with tenogenic capability, aimed at promoting tendon's regeneration. A Tenomodulin (TNMD+) subpopulation was sorted from human adipose stem cells (hASCs), using TNMD-coated immunomagnetic beads(2) and used as cell source for the development of magCSs. Briefly, cells were labeled with iron oxide composite particles (Micromod) and cultured for 7 days in α-MEM medium with or without magnetic stimulation provided by a magnetic device (nanoTherics). CSs were retrieved from the plates using magnet attraction as contiguous sheets of cells within its own deposited ECM.

The influence of fibre orientation on the post-cracking tensile behaviour of steel fibre reinforced self-compacting concrete

Adding fibres to concrete provides several advantages, especially in terms of controlling the crack opening width and propagation after the cracking onset. However, distribution and orientation of the fibres toward the active crack plane are significantly important in order to maximize its benefits. Therefore, in this study, the effect of the fibre distribution and orientation on the post-cracking tensile behaviour of the steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) specimens is investigated. For this purpose, several cores were extracted from distinct locations of a panel and were subjected to indirect (splitting) and direct tensile tests. The local stress-crack opening relationship (σ-w) was obtained by modelling the splitting tensile test under the finite element framework and by performing an Inverse Analysis (IA) procedure. Afterwards the σ-w law obtained from IA is then compared with the one ascertained directly from the uniaxial tensile tests. Finally, the fibre distribution/orientation parameters were determined adopting an image analysis technique.

Epidermis recreation in spongy-like hydrogels: New opportunities to explore epidermis-like analogues

[Excerpt] On the road to successfully achieving skin regeneration, 3D matrices/scaffolds that provide the adequate physico-chemical and biological cues to recreate the ideal healing environment are believed to be a key element [1], [2] and [3]. Numerous polymeric matrices derived from both natural [4] and [5] and synthetic [6], [7] and [8] sources have been used as cellular supports; nowadays, fewer matrices are simple carriers, and more and more are ECM analogues that can actively participate in the healing process. Therefore, the attractive characteristics of hydrogels, such as high water content, tunable elasticity and facilitated mass transportation, have made them excellent materials to mimic cells’ native environment [9]. Moreover, their hygroscopic nature [10] and possibility of attaining soft tissues-like mechanical properties mean they have potential for exploitation as wound healing promoters [11], [12], [13] and [14]. Nonetheless, hydrogels lack natural cell adhesion sites [15], which limits the maximization of their potential in the recreation of the cell niche. This issue has been tackled through the use of a range of sophisticated approaches to decorate the hydrogels with adhesion sequences such as arginine-glycine-aspartic acid (RGD) derived from fibronectin [16], [17] and [18], and tyrosine-isoleucine-glycine-serine-arginine (YIGSR) derived from laminin [18] and [19], which not only aim to modulate cell adhesion, but also influencing cell fate and survival [18]. Nonetheless, its widespread use is still limited by significant costs associated with the use of recombinant bioactive molecules.

Skin-derived cell-sheets as powerful tools to engineer skin analogues

Cell/cell-extracellular matrix (ECM) dynamic interactions appear to have a major role in regulating communication through soluble signaling, directing cell binding and activating substrates that participate in the highly organized wound healing process. Moreover, these interactions are also crucial for in vitro mimicking cutaneous physiology. Herein we explore cell sheet (CS) engineering to create cellular constructs formed by keratinocytes (hKC), fibroblasts (hDFB) and dermal microvascular endothelial cells (hDMEC), to target skin wound healing but also the in vitro recreation of relevant models. Taking advantage of temperature-responsive culture surfaces, which allow harvesting cultured cells as intact sheets along with the deposited native ECM, varied combinations of homotypic and heterotypic three-dimensional (3-D) CS-based constructs were developed. Constructs combining one CS of keratinocytes as an epidermis-like layer plus a vascularized dermis composed by hDFB and hDMECs were assembled as skin analogues for advancing in vitro testing. Simultaneously both hKC and hDMEC were shown to significantly contribute to the re-epithelialization of full-thickness mice skin wounds by promoting an early epithelial coverage, while hDMEC significantly lead to increased vessels density, incorporating the neovasculature. Thus, although determined by the cellular nature of the constructs, these outcomes demonstrated that CS engineering appear as an unique technology that open the possibility to create numerous combinations of 3D constructs to target defective wound healing as well as the construction of in vitro models to further mimic cutaneous functions crucial for drug screening and cosmetic testing assays.

Continuous monitoring of concrete mechanical properties since an early age to support construction phasing

The assessment of concrete mechanical properties during construction of concrete structures is of paramount importance for many intrinsic operations. However many of the available non-destructive methods for mechanical properties have limitations for use in construction sites. One of such methodologies is EMM-ARM, which is a variant of classic resonant frequency methods. This paper aims to demonstrate the efforts towards in-situ applicability of EMMARM, as to provide real-time information about concrete mechanical properties such as E-modulus and compressive strength. To achieve the aforementioned objective, a set of adaptations to the method have been successfully implemented and tested: (i) the reduction of the beam span; (ii) the use of a different mould material and (iii) a new support system for the beams. Based on these adaptations, a reusable mould was designed to enable easier systematic use of EMMARM. A pilot test was successfully performed under in-situ conditions during a bridge construction.

Innovative method for the continuous monitoring of concrete viscoelastic properties since early ages: concept and pilot experiments

The experimental evaluation of viscoelastic properties of concrete is traditionally made upon creep tests that consist in the application of sustained loads either in compression or in tension. This kind of testing demands for specially devised rigs and requires careful monitoring of the evolution of strains, whereas assuring proper load constancy. The characterization of creep behaviour at early ages offers additional challenges due to the strong variations in viscoelastic behaviour of concrete during such stages, demanding for several testing ages to be assessed. The present research work aims to assist in reducing efforts for continuous assessment of viscoelastic properties of concrete at early ages, by application of a dynamic testing technique inspired in methodologies used in polymer science: Dynamic Mechanical Analyses. This paper briefly explains the principles of the proposed methodology and exhibits the first results obtained in a pilot application. The results are promising enough to encourage further developments.

EMM-ARM Retrospective and current developments

FCT PhD grant SFRH/BD/80682/2011; FCT research project VisCoDyn EXPL/ECM-EST/1323/2013

Caracterização da fluência em tração em betões autocompactáveis, com restrição da retração de secagem

No presente artigo apresentam-se os resultados de uma campanha experimental com vista à caracterização do comportamento viscoelástico de três amassaduras de betão auto- compactável com relações água-cimento distintas. O objetivo do estudo consiste emcaracterizar o fenómeno da fluência do betão em tração através da imposição de restrições à livre retração de secagem, recorrendo a um dispositivo inovador – ‘Variable Restraint Frame’ (VRF) – , desenvolvido especificamente para a realização deste tipo de ensaios. O VRF permite realizar ensaios em controlo de força e de deslocamento. Avaliaram-se as deformações de fluência em tração para betões autocompactáveis de três classes de resistência distintas, além de se apresentarem as restantes características mecânicas. O VRF apresenta algumas potencialidades inovadoras, que o distingue m dos seus congéneres, pois permite avaliar com uma precisão assinalável as deformações de fluência, além de possibilitar a caraterização da evolução do módulo de elasticidade do betão em tração ao longo da hidratação do cimento, bem como permitir a avalia ção da fluência em tração mesmo que ocorra a fissuração do provete.