Doutorado em Engenharia Civil

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Alkali-activated binders with reclaimed asphalt aggregates as a potential base layer of pavements
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022) Costa, Juliana Oliveira; Den Bregh, Wim Van; Blom, Johan; Bezerra, Augusto Cesar da Silva; Santos, Flávio Antônio dos; http://lattes.cnpq.br/0783179484317105; http://lattes.cnpq.br/5640767093177688; Wim Van den bregh; Johan Blom; Augusto Cesar da Silva Bezerra; Flávio Antônio dos Santos; João Paulo de Castro Gomes; Hubert Rahier
The pavement infrastructure comprises 16.3 million kilometres worldwide, and the pavement-related industrial sectors are said to be responsible for 21% of the global Greenhouse Gas (GHG) emissions worldwide (Plati, 2019). Sustainable actions on materials for those pavement layers mostly consider replacing (i) natural aggregates (NA) with recycled ones and (ii) Portland cement (PC) used as binder/stabiliser with binders with a lower ecological footprint. This research investigates the possibility of incorporating recycled asphalt pavement (RAP) as an aggregate replacement and alkali-activated material (AAM) as Portland cement (PC) replacement in/for base layer materials. So far, most studies focused on the use of RAP and PC or supplementary cementitious materials. The combination of RAP with alkali-activated matrices may be an even more sustainable solution, given that not only the aggregate is recycled, but also PC is absent from the matrix. Properly designed AAMs are stronger and more durable than PC-based materials. It is, therefore, very likely that the employment of RAP in AAM will result in materials that achieve the minimum requirements for road applications. This research produced an alkali-activated material containing fine and/or coarse RAP aggregates (RAP-AAM) as a replacement for natural aggregates to be used as base layers of pavements. The main objective of this thesis is to determine whether AAM can incorporate high amounts of RAP and be used as pavement base layers without compromising mechanical and durability performance. During this research, two innovative characterization methods were used as an alternative to those often employed for Portland concrete. Firstly, the observation of the interfacial transition zone (ITZ) was improved by combining a laser scanning confocal microscope (LSCM) and a scanning electron microscope (SEM). The combination of both techniques permitted a better observation of the heterogeneous asphalt coating of the RAP particles, the presence of clusters, and cracks at the border and within the activated matrix. Secondly, the thesis proposes an alternative methodology to observe and quantify the shrinkage of RAP-AAM or any other cementitious materials by employing simplified optical imaging. Although this method only allows for the observation of total shrinkage, it is an almost inexpensive method that could give a clear indication of volume changes over time. The experimental data demonstrated that an ideal alkali-activated binder composition to produce RAP-AAM lean concrete would have 10% MK replacement (BFS vol%) and the activator would have 8% Na2O and Ms= 0 (i.e., activated with NaOH and no sodium silicate). This selection was based on the minimum activator amount required to reach the target compressive strength for a weak to medium lean concrete (5 to 10 MPa), while also minimizing the shrinkage effect. The durability assessment to freeze and thaw indicated similar performance for RAP-AAM and reference (RAP-PC). The findings of this research showed that RAPAAM is a promising material for pavement base layers and more investigation is needed on long-term strength and durability.
Compósitos cimentícios de alto desempenho com finos de resíduos de construção e demolição
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023-03-02) Salles, Pedro Valle; Bezerra, Augusto Cesar da Silva; Rodrigues, Conrado de Souza; http://lattes.cnpq.br/2053934196878623; http://lattes.cnpq.br/0783179484317105; Augusto Cesar da Silva Bezerra; Conrado de Souza Rodrigues; Flávia Spitale Jacques Poggiali; Guilherme Jorge Brigolini Silva; White José dos Santos
A utilização de resíduos de construção e demolição (RCD) é de suma importância quando se trata de sustentabilidade na engenharia civil. A utilização desses resíduos como agregados reciclados é vastamente estudada, ainda que pouco utilizado na prática no contexto nacional. Contudo, devido às massivas quantidades de resíduos gerados mundialmente e a crescente dificuldade de sua disposição final, faz-se necessário o desenvolvimento de novas técnicas de reciclagem desses materiais. Neste contexto surge a possibilidade da utilização da parcela pulverulenta desses resíduos como adições minerais aos compósitos cimentícios. A presente tese apresenta duas possibilidades de utilização desses resíduos e avaliou a adequabilidade do uso de pós provenientes de RCD como materiais cimentícios suplementares e/ou aglomerantes. Inicialmente, estudou-se a adição de pó reciclado de tijolos de alvenaria (PRT). Posteriormente, avaliou-se a possibilidade de reciclagem do pó proveniente de pastas de cimento hidratado (PRC), por meio de tratamento térmico dessas. Esses pós serviram de substituinte/adição do cimento Portland em misturas de concretos de alto desempenho. De maneira geral, os resultados indicam que o PRT é uma adição extremamente viável, uma vez que o material se apresenta como pozolânico de acordo com os ensaios realizados, melhorando, nos ensaios avaliados, o desempenho dos traços compostos por ele. O PRC, apesar de cimentante, após tratamento térmico e ao substituir 20% do cimento Portland, mostrou-se, em certos aspectos, deletério às misturas realizadas. O PRC tratado a 800 ºC é aquele que apresenta piores resultados e o tratado a 450 ºC aquele que apresenta melhor desempenho, tendo em vista as moldagens com uso de RCD, exibindo perdas de resistência à compressão de aproximadamente 10%. De forma geral, é possível afirmar que o PRT e o PRC tratado a 450 ºC apresentam resultados de resistência mecânica e indicativos de durabilidade que possibilitam a sua utilização como materiais cimentícios suplementares. O PRT provou-se pozolânico, o que possibilita seu uso como adição mineral em compósitos cimentícios. Além disso, foi possível obter alguma reatividade dos PRC tratados termicamente, controlando-se o problema da pega rápida esses resíduos também são potencialmente utilizáveis em traços com cimento Portland. A utilização de RCD gera ganhos ambientais, dependendo dos custos de processamento do resíduo, como a menor disposição de RCD em aterros e a não extração de matérias primas não renováveis, por exemplo, o que incentiva a continuidade do desenvolvimento de uso desses resíduos.
Influência de nanotubos de carbono dispersos em suspensão não aquosa de isopropanol no processo de hidratação e na microestrutura de pastas de cimento
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2022-11-04) Rocha, Vanessa Vilela; Ludvig, Péter; http://lattes.cnpq.br/7848995220297181; Péter Ludvig; Philippe Jean Paul Gleize; Manuel Houmard; Flávia Spitale Jacques Poggiali
A construção civil é um dos setores mais poluente e geradores de resíduos, e visando minimizar os impactos gerados, a obtenção de uma matriz de cimento mais resistente e de maior durabilidade é apontada como oportunidade de pesquisa. Pesquisadores apontam o uso de nanotubos de carbono (NTCs) como reforço da matriz cimentícia, pois há indícios de que esse nanomaterial atua como nucleador dos produtos de hidratação e controladores de propagação de micro e nanofissuras contribuindo para ganhos de resistência mecânica. O presente trabalho busca dados científicos que justifiquem os efeitos dos NTCs dispersos nas partículas de cimento anidro em suspensão não aquosa, principalmente de isopropanol. Dessa forma, pastas de cimento com teores de 0,05% e 0,10% de NTCs são avaliadas quanto as propriedades no estado fresco, propriedades mecânicas e comportamento microestrutural. Por meio dos resultados, nota-se que a dispersão dos NTCs em suspensão não aquosa de acetona, etanol e isopropanol parecem eficazes na dispersão do nanomaterial, promovendo aumento de resistência à tração e compressão. Avaliando de maneira mais profunda a influência dos NTCs dispersos em suspensão não aquosa de isopropanol nas propriedades micro e nanoestruturais, foi registrado interferência nas propriedades da pasta de cimento no estado fresco. Foi registrado ligeiro aumento no limite de escoamento e na viscosidade plástica, pequeno aumento do pico de temperatura no calor de hidratação, impacto na trabalhabilidade das pastas de cimento, se fazendo necessário aumento na demanda de água para adquirir uma mesma consistência, além da leve retardação no processo de hidratação aumentando o tempo de pega. Quanto ao comportamento mecânico, é registrado redução de poros considerados prejudiciais à resistência mecânica (macroporos), aumento na energia de fratura e aumento da probabilidade de formação de C-S-H e maior densidade desse produto de hidratação. Dessa forma, a metodologia estudada reforça os indícios de que a presença de NTCs dispersos em suspensão não aquosa de isopropanol interfere na microestrutura da pasta de cimento atuando tanto na nucleação dos produtos de hidratação, quanto como controladores de propagação de fissura.
Materiais álcali-ativados produzidos utilizando cinzas de bagaço de cana-de-açúcar como precursor único
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023) França, Sâmara; Bezerra, Augusto Cesar da Silva; http://lattes.cnpq.br/0783179484317105; http://lattes.cnpq.br/0522046662381115; Augusto Cesar da Silva Bezerra; Paulo Henrique Ribeiro Borges; Maria Teresa Paulino Aguila; José Maria Franco de Carvalho
A produção de cimento Portland apresenta significativa importância para o desenvolvimento social e econômico de um país, entretanto gera impactos ambientais desde a extração das matérias primas até produção do clínquer. Apesar dos impactos, a demanda de cimento Portland ainda é crescente em países em desenvolvimento como Índia, China e Brasil. Diante deste impasse, pesquisas para o desenvolvimento de materiais alternativos ao cimento Portland estão crescendo ao redor do mundo. Entre estas pesquisas destacam-se aquelas relacionadas aos materiais álcali-ativados (MAAs). Os MAAs são considerados mais ecoeficientes que o cimento Portland por emitirem menos CO2 durante seu processo de produção. Além disso, as matérias primas utilizadas no seu desenvolvimento são, geralmente, resíduos ou rejeitos de outros processos industriais. A cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBCA) é um exemplo de resíduo gerado em grande escala no Brasil e com grande potencial de utilização para produção de MAAs. Diante disso, o presente trabalho desenvolveu MAAs utilizando a CBCA como precursor único. Para isto, a reatividade das cinzas foi avaliada por meio de testes químicos. Posteriormente, a viabilidade do material foi verificada por meio de ensaios físicos, mecânicos e de durabilidade. Como resultado verificou-se que as pastas álcaliativadas produzidas a partir de CBCA como precursor exclusivo apresentam constituição estrutural semelhante a pastas produzidas a partir de precursores tradicionais. Além disso, concluiu-se que a CBCA é um precursor exclusivo viável uma vez que as pastas atingiram resistência mecânica significativa (21,39 MPa), baixa densidade aparente (1,74 g/cm³) e baixa porosidade (3,54%) aos 28 dias de cura. Em relação à durabilidade, concluiu-se que as matrizes produzidas a partir de CBCA como precursor exclusivo apresentam excelente resistência ao ataque ácido uma vez que apresentam aumento de resistência à compressão após 7 dias de imersão em ácido sulfúrico. Entretanto, em relação à reação álcali-sílica, conclui-se que as metodologias das normas brasileiras e estadunidenses não são adequadas para os MAAs produzidos exclusivamente a partir de CBCA, pois a imersão dos corpos de prova nos tanques ocorre antes da consolidação da matriz o que resulta em uma expansão excessiva do material. Além disso, conclui-se que o refinamento do tamanho dos raios dos poros das pastas produzidas é diretamente proporcional a susceptibilidade a agentes agressivos das argamassas testadas.
Metodologia para determinação de regimes ecológicos de vazões em rios tropicais
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2020-12-15) Léo, Verônica Bernardes de Souza; Santos, Hersília de Andrade e; Coelho, Lineker Max Goulart; http://lattes.cnpq.br/8891697482850065; http://lattes.cnpq.br/3618369732101367; http://lattes.cnpq.br/9562141519885929; Hersília de Andrade e Santos; Lineker Max Goulart Coelho; Francisco Martínez Capel; Marília Carvalho de Melo; Rogério Cabral de Azevedo; Tailan Moretti Mattos
A má gestão dos recursos hídricos aliada ao crescimento pela demanda de água e às mudanças climáticas são fatores impactantes no regime de vazões de rios, interferindo diretamente na biodiversidade dos ecossistemas aquáticos e dificultando o desenvolvimento das atividades econômicas locais. Neste contexto, estudos sobre vazão ecológica (magnitude da vazão) têm sido desenvolvidos em todo o mundo desde os anos 1970 e nos últimos anos, esta abordagem evoluiu para a determinação de um regime ecológico (hidrograma ambiental) com todas suas componentes. Existem mais de 200 metodologias relacionadas ao tema no mundo, sendo que, no Brasil, a legislação determina aplicação dos métodos mais simples (com abordagem hidrológica) para concessão de outorga de água. Recentes estudos no Brasil aplicam métodos mais complexos de determinação de vazão ecológica e até de regime ecológico, porém estes não propõem abordagem adaptativa que considere as particularidades de baixa disponibilidade de dados ecológicos em comparação a ampla biodiversidade das áreas tropicais e de escassez de recursos financeiros de países normalmente localizados nestas áreas. Assim, este trabalho buscou responder as seguintes perguntas de pesquisa: (1) Quais os principais métodos e estudos de vazão ecológica / hidrograma ambiental aplicados em regiões tropicais com baixa disponibilidade de dados ecológicos em comparação a biodiversidade local e com escassez de recursos financeiros? (2) A partir de quando iniciaram estes estudos e quais são as principais considerações destes estudos em relação a aplicação da metodologia por órgãos gestores de recursos hídricos? (3) Quais os principais índices alterados do regime de vazões de um trecho de rio sem presença de barramentos? (4) Existe correlação dos índices de alteração hidrológica do regime de vazões do rio escolhido para o estudo com parâmetros indicativos de mudanças climáticas e de alteração antrópica? (5) Quais espécies de peixes teriam a disponibilidade de habitat físico mais impactada por ações antrópicas e/ou climáticas sobre o regime de vazões? (6) Quais as implicações na disponibilidade de habitats nos cenários relacionados a ações antrópicas e/ou climáticas sobre o regime de vazões num rio? (7) Qual o método multicritério mais adequado para determinação de um hidrograma ambiental em regiões tropicais que considere critérios ecológicos, econômicos e sociais e que apresente praticidade de aplicação por órgãos reguladores do uso d’água? Para o desenvolvimento do trabalho, realizou-se uma pesquisa bibliográfica sistemática sobre o tema e foi escolhido um trecho do rio Preto, afluente do rio Paraíba do Sul, onde foram cumpridas as seguintes etapas: (1) caracterização da área de estudo, (2) coleta de informações em campo, (3) aplicação dos métodos de abordagem do alcance da variabilidade (em inglês RVA) e de correlação linear entre variáveis climática e antrópicas com o regime de vazões, (4) modelagem hidrodinâmica do trecho com aplicação da simulação de habitat das principais espécies neotropicais de peixes (em inglês PHABSIM) e (5) desenvolvimento e aplicação de nova metodologia para regime ecológicos de vazões. Como resultados, o regime de vazões na área estudada apresentou IHA com elevada alteração em quatro componentes do rio (magnitude, frequência, duração e taxa de variação) ao longo do tempo. Ao relacionar as modificações encontradas no regime de vazões com métricas antrópicas e climáticas, mostrou-se forte correlação, no período mais atual, das vazões locais com alterações no comportamento do Oceano Atlântico (alteração climática) e com alterações na quantidade de bovinos existente na região (alteração antrópica). Estes resultados implicaram na diminuição em aproximadamente 40% da descarga superficial devido aos efeitos da pecuária e de 10% devido as mudanças climáticas globais. Ao serem simuladas, a partir do método PHABSIM, estas alterações na vazão para as curvas de aptidão desenvolvidas das 6 espécies locais encontradas com maior abundância, indicaram que as espécies de Brycon opalinus e Astyanax intermedius requerem maior atenção em cenários de maior comprometimento da quantidade de água em função de atividades antrópicas e mudanças climáticas. As vazões mínimas estabelecidas por legislação brasileira geram área de habitat físico disponível bastante diferente entre si, principalmente quando considerados diferentes cenários de impacto antrópico e climático. De posse de todas estas variáveis encontradas que são relacionadas ao regime ambiental de vazões, foi então desenvolvida a metodologia ARVE e ao aplicar a mesma chegouse a resultados consistentes que indicam que o modelo multicritério proposto responde corretamente aos critérios ambientais, econômicos e sociais propostos e que este pode ser utilizado por gestores da água de forma a simular cenários já existentes ou até mesmo cenários futuros. De forma geral, conclui-se que o regime de vazões em rios tropicais de cabeceiras é altamente alterado pela atividade humana e ainda são intensificados pelas mudanças climáticas, e que estas alterações podem ser simuladas para verificar e gerir de uma melhor forma o regime de vazões de cursos d’água. Sugere-se para pesquisas futuras considerar outras variáveis antrópicas (econômicas e sociais) e climáticas que impactam na dinâmica dos rios. De forma geral, a proposição de novo método de determinação de regime ecológico, que considere variáveis ambientais, econômicas e sociais auxilia políticas de gestão dos recursos hídricos de áreas tropicais localizadas em locais com baixa disponibilidade de dados ecológicos e baixo incentivo financeiro.
Modelos hidrodinâmicos do escoamento a jusante de usinas hidroelétricas: subsídios para avaliação de impactos a ictiofauna
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 2023) Mendes, Ludmila Moura Moreira; Santos, Hersília de Andrade e; Politano, Marcela Susan; http://lattes.cnpq.br/3618369732101367; Hersília de Andrade e Santos; Marcela Susan Politano
As Usinas Hidroelétricas (UHE) ocasionam mudanças no escoamento a jusante do seu barramento que influenciam o comportamento da ictiofauna. Tendo em vista essas alterações, o objetivo geral da presente pesquisa foi elaborar modelos numéricos de escoamentos hidráulicos a jusante de barramentos que representem de forma significativa os processos físicos, necessários para a compreensão do comportamento de espécies de peixes, principalmente relacionados a atração exercida pelas turbinas e a utilização de corredores de natação. De forma a avaliar o uso de modelos hidrodinâmicos para impactos relacionados a usinas hidrelétricas e ictiofauna, uma revisão sistemática foi realizada de forma a subsidiar definições mais holísticas sobre tema bem como fornecer informações a respeito das características dos modelos a serem empregados. Foram construídos e validados modelos hidrodinâmicos bidimensionais e tridimensionais do escoamento hidráulico a jusante da UHE de Três Marias (Brasil). Diferentes aproximações relacionadas a turbulência foram aplicadas e os resultados hidrodinâmicos serão confrontados com informações de capacidade natatória de peixes neotropicais. Após a simulação, foram obtidas informações sobre características hidráulicas relacionadas a velocidade, energia cinética turbulenta (em inglês, turbulent kinetic energy, TKE) e deformação hidráulica (em inglês, total hydraulic strain, THS). Esse trabalho respondeu as seguintes perguntas: 1) Ocorrem alterações nos campos de velocidade e turbulência do escoamento a jusante da UHE devido a sua operação que possam influenciar o comportamento de cardumes de peixes nessas áreas? 2) Existem corredores de natação em áreas a jusante de UHE que podem levar os peixes a áreas próximas às turbinas? 3) Onde se concentram os principais estudos de modelos hidrodinâmicos aplicados à problemas de ictiofauna oriundos da operação de UHE? 4) Quais os principais impactos abordados nesses estudos com modelos hidrodinâmicos? 5) Quais os critérios de seleção das espécies estudadas e técnicas para obter os dados de comportamento de peixes? 6) Quais as principais características dos modelos hidráulicos numéricos para estudos de impacto a ictiofauna devido a UHE? 7) Os modelos tridimensionais RANS (em inglês, Reynolds Averaged Navier Stokes) e DDES (em inglês, Delayed Detached Eddy Simulation) são semelhantes no processo de captura de fenômenos hidráulicos, importantes para a compreensão do comportamento ambiental de espécies de peixes, em diferentes áreas do escoamento ao longo do trecho do rio? 8) Como se comportam as variáveis hidráulicas magnitude da velocidade, turbulência e a deformação hidráulica (apontadas como importantes explicadores do comportamento de peixes) em trechos a jusante de UHE ao longo da distância? Observou-se como resultados principais os seguintes pontos: 1) os campos de escoamento do canal de fuga da UHE apresentam uma deformação hidráulica e uma homogeneidade de velocidade maiores que o campo de escoamento do trecho de rio a jusante; 2) as velocidades do canal de fuga são baixas para indivíduos maduros de todas as espécies estudadas, as quais podem nadar do trecho do rio a jusante para áreas inseguras no canal de fuga no modo sustentável e prolongado por corredores disponíveis para as diferentes vazões simuladas; 3) existe uma ampla contribuição dos modelos de CFD em estudos de impacto de barragens nas comunidades de peixes, porém há uma prevalência de pesquisas em passagens para peixes; 4) observou-se um aumento nas pesquisas sobre espécies não-salmonídeas, nativas ou ameaçadas de extinção, especialmente na China; 5) a amostragem de dados de peixes, a extensão do domínio e a complexidade dos fenômenos estudados no escoamento desempenham um papel importante na definição do modelo numérico; 6) a seleção do software está relacionada ao tipo de impacto estudado e a associação de diferentes modelos tem aprimorado a simulação de comportamento de peixes no campo hidrodinâmico; 7) há poucas pesquisas no hemisfério sul e em áreas com grande diversidade de peixes; 8) a qualidade do habitat e a modelagem do movimento do peixe são áreas promissoras para o uso do CFD; 9) foram observadas diferenças na velocidade de escoamento, energia cinética turbulenta e deformação hidráulica dos modelos DDES e RANS; 10) o modelo DDES apresentou uma maior concordância com os dados ADCP; 11) a velocidade do escoamento foi significativamente relacionada à distância da represa e algumas áreas no trecho de três quilômetros podem atuar como barreiras de velocidade para o Pimelodus maculatus. Espera-se que as contribuições dadas por essa tese possibilitem o avanço na discussão científica sobre impactos ambientais oriundos de UHE em ambientes aquáticos.

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