Análise da injectabilidade do grout variando o meio poroso ao longo do escoamento

O envelhecimento do património edificado que constitui a maioria dos centros históricos e urbanos, não só em Portugal, como em toda a Europa, é uma realidade. Parcela significativa destes edifícios é constituída por paredes de alvenaria de pedra em mau estado de conservação. A necessidade crescente de intervenção no sentido de optimizar as respectivas condições de segurança destes edifícios é por isso prioritária. Uma das técnicas mais comuns, usadas na consolidação de alvenarias antigas e elementos arquitectónicos danificados, é a injecção de grouts. A utilização desta técnica tem como finalidade, não só o preenchimento de vazios existentes, de modo a aumentar a compacidade e resistência mecânica do núcleo da estrutura, mas também a criação de uma boa ligação com os panos exteriores, permitindo que a alvenaria recupere o seu comportamento monolítico. No entanto, é necessário ter em consideração, antes de qualquer intervenção de reabilitação, a compatibilidade entre os materiais originais e os materiais utilizados na intervenção. Deste modo, optou-se pela utilização de um ligante, cuja as propriedades mecânicas, físicas e químicas mais se assemelham aos materiais originais em alvenarias antigas, caso da cal hidráulica. Outro aspecto de grande importância a ter em conta, na injecção de grouts, é o poder de penetração da mistura. Assim, a necessidade de avaliação da eficiência da injecção em diferentes meios porosos conduziu à criação de modelos com diferentes composições que simulassem, com a maior fiabilidade possível, meios porosos encontrados no pano interior de alvenarias antigas. O presente trabalho incide principalmente na realização de ensaios de injecção, tendo como objectivo a análise da influência da variabilidade do meio poroso ao longo da altura de injecção de grout. Foram ainda realizados, de modo a avaliar a qualidade destas injecções, ensaios de velocidade de propagação de ultra-sons, assim como, a utilização da técnica de tomografia ultra-sónica. A combinação deste ensaio e técnica de análise não-destrutivas revelou-se de grande utilidade na avaliação da morfologia interna dos modelos criados. De forma a conhecer as resistências mecânicas e as respectivas relações com a qualidade de injecção dos meios porosos, realizaram-se ensaios de resistência à tracção por compressão diametral (também designados por Splitting Tensile Strength Test). Por fim, na última parte deste trabalho, de modo a simular os testes de injecção realizados anteriormente em laboratório, foi usado um modelo analítico tendo como ponto de partida a teoria de fluxo laminar viscoso através de meios porosos, com base na lei de Darcy.

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.

Estudo reológico de caldas hidráulicas para utilização na reabilitação do edificado

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Construção

Produção de cimentos ósseos à base de fosfato de cálcio

Os cimentos fosfato de cálcio (CPC) têm vindo a despertar cada vez mais interesse por apresentarem vantagens em relação a outros materiais, tais como o cimento acrílico ou os blocos cerâmicos, usualmente utilizados na reparação óssea. Estes são constituídos por um ou mais fosfato de cálcio, e uma solução líquida, originando uma pasta que endurece rapidamente, e que resulta num material cristalino, biocompatível e osteocondutor. O objectivo deste estudo foi investigar algumas das propriedades de um novo CPC à base de β-Fosfato tricálcico (β-TCP) que se caracteriza por incluir na sua fase líquida, além de um ácido carboxílico, um aditivo polimérico, o hidroxipropilo quitosano (HPCS), cuja síntese foi optimizada por variação dos parâmetros temperatura e duração da reacção. As propriedades mecânicas e de manuseio, assim como o produto final do CPC foram estudados efectuando-se testes de compressão, flexão, tempo de presa, injectabilidade e difracção de raios-X (DRX). Além disto investigou-se o comportamento in vitro e in vivo realizando-se testes de citotoxicidade e implantando-se o CPC no fémur de 8 coelhos durante um período de 4 meses. Verificou-se que o CPC produzido neste trabalho é um cimento de brushite, que endurece em 10 min, conferindo tempo suficiente para a colocação da pasta numa seringa e sua fácil injecção, e que apresenta uma resistência à compressão até 9MPa e flexão até 6MPa, sendo por isso aceitável para aplicações cirúrgicas, em locais não sujeitos a grandes tensões. Por outro lado verificou-se que apesar da sua aparente toxicidade este é bem tolerado in vivo, resultando num material biocompatível.

Avaliação do efeito combinado de temperatura, tempo de repouso e pressão de injecção na eficiência de injecção de grouts

Na maioria dos monumentos e edifícios que constituem os centros históricos e urbanos, não só em Portugal, como também noutras cidades europeias, as paredes são em alvenaria. Actualmente, grande parte destas construções em alvenaria apresenta danos estruturais, pelo que devido ao seu valor patrimonial, cultural e arquitectónico, devem ser alvo de especial atenção para sua conservação. O presente trabalho incide sobre uma das técnicas que tem sido considerada mais adequada para restabelecer a homogeneidade, uniformidade de tensões e continuidade dos panos de alvenaria antiga: a injecção de grouts (caldas). A injecção de grouts tem dois objectivos principais, sendo o primeiro o preenchimento dos vazios e fendas existentes, no sentido de aumentar a compacidade da alvenaria e,consequentemente, a resistência à flexão, à compressão e ao corte. O segundo objectivo tem por base a criação de ligações entre dois ou mais panos de uma alvenaria, o que é fundamental no caso de ligações defeituosas entre os panos, incrementado o comportamento monolítico da alvenaria. A realização de injecções de grout em edifícios históricos deve ter em conta a compatibilidade com os materiais existentes. Por isso, neste estudo foi escolhido um grout à base de cal hidráulica, devido à maior proximidade física, mecânica e química com os materiais de alvenarias antigas. O grout deve ser concebido de forma a obter o melhor desempenho, quer do ponto de vista da injectabilidade, quer de durabilidade. Torna-se então fundamental adquirir um conhecimento sobre os parâmetros que influenciam as propriedades do grout no que respeita ao momento de injecção, como também da compacidade que adquire após inserido no interior do meio poroso. Neste sentido no presente trabalho abordam-se parâmetros como a temperatura e a pressão a que o grout é injectado, e o tempo (de repouso) desde o momento da preparação do grout até à sua injecção. De forma a aumentar a compacidade e resistência mecânica da alvenaria a ser injectada por grout, procura-se avaliar o efeito da presença de diferentes quantidades de sílica de fumo na composição do grout. Com o intuito de estudar os parâmetros descritos analisaram-se modelos injectados com grout de forma a simular injecções de grout realizadas no pano interior de alvenarias antigas de pedra constituídas por três panos. No sentido de avaliar a qualidade destas injecções de grouts recorreu-se ao ensaio de ultra-sons e à tomografia ultra-sónica. A combinação destas técnicas de análise nãodestrutivas pode ser aplicada de forma bastante útil na detecção da morfologia interna dos modelos criados, fornecendo uma informação quantitativa e qualitativa sobre a sua compacidade e densidade. De forma a conferir a viabilidade do ensaio de ultra-sons e da tomografia ultra-sónica, realizaram-se ensaios mecânicos, nomeadamente, o ensaio de resistência à tracção por compressão diametral e o ensaio de corte, com o intuito de conhecer as resistências mecânicas dos provetes

Cimentos injetáveis à base de fosfatos de cálcio para vertebroplastia

O principal objectivo desta investigação foi o desenvolvimento cimentos de fosfatos de cálcio com injetabilidade melhorada e propriedades mecânicas adequadas para aplicação em vertebroplastia. Os pós de fosfato de tricálcico (TCP) não dopados e dopados (Mg, Sr e Mn) usados neste estudo foram obtidos pelo processo de precipitação em meio aquoso, seguidos de tratamento térmico de forma a obter as fases pretendidas, α− e β−TCP. A substituição parcial de iões Ca por iões dopantes mostrou ter implicações em termos de estabilidade térmica da fase β−TCP. Os resultados demonstraram que as transformações de fase alotrópicas β↔α−TCP são fortemente influenciadas por variáveis experimentais como a taxa de arrefecimento, a presença de impurezas de pirofosfato de cálcio e a extensão do grau de dopagem com Mg. Os cimentos foram preparados através da mistura de pós, β−TCP (não dopados e dopados) e fosfato monocálcico monidratado (MCPM), com meios líquidos diferentes usando ácido cítrico e açucares (sucrose e frutose) como agentes retardadores de presa, e o polietilenoglicol, a hidroxipropilmetilcelulose e a polivinilpirrolidona como agentes gelificantes. Estes aditivos, principalmente o ácido cítrico, e o MCPM aumentam significativamente a força iónica do meio, influenciando a injetabilidade das pastas. Os resultados também mostraram que a distribuição de tamanho de partícula dos pós é um factor determinante na injetabilidade das pastas cimentícias. A combinação da co-dopagem de Mn e Sr com a adição de sucrose no líquido de presa e com uma distribuição de tamanho de partícula dos pós adequada resultou em cimentos de brushite com propriedades bastante melhoradas em termos de manuseamento, microestrutura, comportamento mecânico e biológico: (i) o tempo inicial de presa passou de ~3 min to ~9 min; (ii) as pastas cimentícias foram totalmente injectadas para uma razão liquido/pó de 0.28 mL g−1 com ausência do efeito de “filter-pressing” (separação de fases líquida e sólida); (iii) após imersão numa solução durante 48 h, as amostras de cimento molhadas apresentam uma porosidade total de ~32% e uma resistência a compressão de ~17 MPa, valor muito superior ao obtido para os cimentos sem açúcar não dopados (5 MPa) ou dopados só com Sr (10 MPa); e (iv) o desempenho biológico, incluindo a adesão e crescimento de células osteoblásticas na superfície do cimento, foi muito melhorado. Este conjunto de propriedades torna os cimentos excelentes para regeneração óssea e engenharia de tecidos, e muito promissores para aplicação em vertebroplastia.