ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA CARACTERIZAR AS LIGAÇÕES ENTRE CAMADAS DE PRODUTOS IDEALIZADOS NA MANUFATURA ADITIVA DE CONCRETO

1. Mestrado em Engenharia Mecânica – FURG
Disciplina: Ensaios Não Destrutivos
Professor: Dr. Jorge Luis Braz Medeiros
Mestrando: Sandro Marques Solidario
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA CARACTERIZAR AS
LIGAÇÕES ENTRE CAMADAS DE PRODUTOS IDEALIZADOS NA
MANUFATURA ADITIVA DE CONCRETO

2. O objetivo deste estudo é avaliar quais métodos de ensaios não destrutivos são mais
adequados para determinar a qualidade da ligação entre camadas do concreto impresso em
3D.
OBJETIVO GERAL

3. Realizar o primeiro estudo do uso de ensaios não destrutivos para caracterizar a
resistência da ligação entre camadas de concreto endurecido e em camadas, que muitos
pesquisadores citam como uma etapa essencial no desenvolvimento de concreto impresso em
3D.
OBJETIVO ESPECÍFICO

4. As pesquisas sobre materiais cimentícios para impressão 3D estão ganhando
publicidade e impulso em escala mundial. Entidades governamentais e empresas
independentes estão começando a implementar infraestrutura impressa em 3D. Empresas na
Espanha, Itália, Países Baixos e Estados Unidos afirmam ter a capacidade de imprimir
rapidamente casas de concreto. Os governos locais nos Países Baixos abriram pontes
públicas de concreto impresso em 3D para pedestres e ciclistas, conforme Figura 1.
O Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenheiros do Corpo de Engenheiros
do Exército dos Estados Unidos (ERDC) investigando materiais de concreto aplicáveis,
métodos de construção, custo de construção, melhorias estruturais, operações de impressão
contínua e tempos de ciclo de manutenção da impressora. O concreto impresso em 3D
apresenta inovação para a dinâmica tradicional do setor de concreto.
JUSTIFICATIVA

5. Os dados de um teste mecânico, o teste de ruptura da carga de prisma dividido,
verificaram os resultados dos testes não destrutivos concluídos, permite a categorização da
qualidade da ligação entre camadas, relacionando a provável resistência da ligação às
quantidades determinadas pelos métodos mais sensíveis do ensaio não destrutivo.
O objetivo deste estudo é avaliar quais métodos de ensaios não destrutivos são mais
adequados para determinar a qualidade da ligação entre camadas do concreto impresso em
3D. Foram estudados os recursos de quatro técnicas não destrutivas durante essa
investigação: radiografia, velocidade de pulso ultrassônico (UPV), ressonância de vibração e
transmissão de energia de onda de cisalhamento.

6. Fig. 1. Primeira ponte impressa em 3D no mundo, em Gemert, nos Países Baixos. Foi
impressa com 800 camadas de concreto, que pode suportar o peso de 40 caminhões.
Fonte: THE GUARDIAN

7. A radiografia é um método usado para ensaio não destrutivo que baseia-se na
absorção diferenciada da radiação penetrante pela peça que está sendo inspecionada. Este
método de ensaio não destrutivo é muito utilizado na avaliação de soldaduras, sobretudo na
avaliação dos cordões de raiz e intermédios, dada a sua inacessibilidade provocada pela
deposição dos sucessivos cordões.
Devido às diferenças na densidade e variações na espessura do material, ou mesmo
diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do
material, diferentes regiões de uma peça absorverão quantidades diferentes da radiação
penetrante.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
RADIOGRAFIA

8. Essa absorção diferenciada da radiação poderá ser detectada através de um filme, ou
através de um tubo de imagem ou mesmo medida por detectores eletrônicos de radiação,
conforme Figura 2. A radiografia industrial é então usada para detectar variação de uma
região de um determinado material que apresenta uma diferença em espessura ou densidade
comparada com uma região vizinha, em outras palavras, a radiografia é um método capaz de
detectar com boa sensibilidade defeitos volumétricos.

9. Fig. 2. Técnica geral de ensaio radiográfico na indústria
Fonte: ANDREUCCI (2017)

10. O poder de penetração das radiações eletromagnéticas, Raios X e Gama, são
caracterizadas pelo seu comprimento de onda (ou energia) . Outras grandezas relativas às
ondas eletromagnéticas são frequência e energia. Podemos converter a energia em
comprimento de onda ou em frequência (ANDREUCCI, 2017).
A equação que relaciona a energia com o comprimento de onda é a equação de
Planck:

11. O ânodo e o cátodo são submetidos a uma tensão elétrica da ordem de milhares de
Volts, sendo o polo positivo ligado ao ânodo e o negativo no cátodo. O ânodo é constituído
de uma pequena parte fabricada em tungstênio, também denominado de alvo, e o cátodo de
um pequeno filamento, tal qual uma lâmpada incandescente, por onde passa uma corrente
elétrica da ordem de miliamperes (ANDREUCCI, 2017).
Quando o tubo é ligado, a corrente elétrica do filamento, se aquece e passa a emitir
espontaneamente elétrons que são atraídos e acelerados em direção ao alvo. Nesta
interação, dos elétrons com os átomos de tungstênio, ocorre a desaceleração repentina dos
elétrons, transformando a energia cinética adquirida em raios X.

12. Fig. 3. Esquema de tubos de Coolidge de um raio X industrial
Fonte: ANDREUCCI (2017)

13. Os aceleradores lineares são aparelhos similares aos aparelhos de raios X
convencionais com a diferença que os elétrons são acelerados por meio de um sistema de
ondas de alta frequência, adquirindo altas velocidades ao longo de um tubo retilíneo. Os
elétrons ao se chocarem com o alvo, transformam a energia cinética adquirida em calor e
Raios X com altas energias cujo valor dependerá da aplicação. Para uso industrial em geral
são usados aparelhos capazes de gerar raios X com energia máxima de 4 Mev.
(ANDREUCCI, 2017).
Os aceleradores lineares são aparelhos destinados a inspeção de componentes com
espessuras acima de 100 mm de aço. As vantagens do uso desses equipamentos de grande
porte, são:
• foco de dimensões reduzidas (menor que 2 mm)
• tempo de exposição reduzido
• maior rendimento na conversão em Raios X

14. Fig. 4. Fotos de um acelerador linear LINAC - Mitsubishi, usado para radiografia industrial de peças com espessura
de 20 a 300 mm de aço.
Fonte: ANDREUCCI (2017)

15. As fontes usadas em gamagrafia (radiografia com raios gama), requerem cuidados
especiais de segurança pois, uma vez ativadas, emitem radiação, constantemente. Deste
modo, é necessário um equipamento que forneça uma blindagem, contra as radiações
emitidas da fonte quando a mesma não está sendo usada. De mesma forma é necessário
dotar essa blindagem de um sistema que permita retirar a fonte de seu interior, para que a
radiografia seja feita. Esse equipamento denomina-se Irradiador.. (ANDREUCCI, 2017).
Os irradiadores compõe-se, basicamente, de três componentes fundamentais: Uma
blindagem, uma fonte radioativa e um dispositivo para expor a fonte. Os irradiadores gama
são equipamentos dotados de partes mecânicas que permitem expor com segurança a fonte
radioativa. A principal parte do irradiador é a blindagem interna, que permite proteção ao
operador a níveis aceitáveis para o trabalho, porém com risco de exposição radiológica se
armazenado em locais não adequados ou protegidos.

16. Fig. 5. Esquema do Equipamento para Gamagrafia Industrial
Fonte: ANDREUCCI (2017)

17. A impressão 3D também é conhecida como fabricação de desktop ou manufatura
aditiva, teve sua concepção no ano de 1983, quando Chuck Hull inventou a estereolitografia
e fundou a 3D Systems. Pode ser conceituada como uma metodologia de prototipagem pelo
qual um elemento tridimensional é criado a partir de múltiplas camadas 2D (PEREIRA, 2020).
O arquivo lido pela impressora é a linguagem padrão de triângulos, do inglês
“standard triangle language” – STL ou “Stereolitography” (estereolitografia), que nada mais é
que um arquivo “fatiado”, que tem em cada uma das partes a indicação das coordenadas x, y
e z da geometria do objeto.
IMPRESSÃO 3D

18. A impressão 3D (Figura 6) permite a criação de elementos ocos, curvos e com
características únicas que não requerem fôrmas complexas ou elementos de escoramento. O
processo de impressão de concreto, emprega a técnica de extrusão de um filamento de
material cimentícios de forma contínua, com diâmetro entre 6 a 50 mm, bombeado até um
bocal, que fica montado em um braço robótico, um pórtico movimentado ou até mesmo
carrinhos-robôs, que posicionam o material durante o processo de construção (PEREIRA,
2020).
Conforme Remón (2016 apud PEREIRA, 2020, p.3) Quando se trata de impressão 3D
de concreto, o material comumente referenciado como concreto, é na verdade mais
semelhante a uma argamassa, isso devido a apresentar uma granulometria máxima variando
na escala de 0,4 a 1,5 mm, sendo que essa pode ser composta por materiais filamentares
(fibras metálicas), aditivos e/ou adições.
MANUFATURA ADITIVA DE CONCRETO

19. Fig. 6. Impressão de casa de concreto em 3D.
Fonte: Google Imagens

20. O método de detecção de bordas de Sobel tem por objetivo calcular o gradiente da
intensidade da imagem em cada ponto, fornecendo assim a direção da maior variação de
claro para escuro e a magnitude de variação nessa direção. Assim, torna-se possível estimar
a presença de uma transição claro-escuro e qual a orientação da transição.
O limiar de máxima entropia baseia-se na procura de um filtro ou função f’(λ) que
convertam a curva espectral original f(λ) em um espectro de ruído branco f’’(λ), ou seja, com
entropia máxima, ou seja ainda, em que variações em λ não causem variação em f’’(λ).
Assim, esses filtros são funções que convolucionadas com a função da curva espectral
original geram uma função onde se minimiza a variação entre a variável de entrada e a de
saída (máxima entropia).
MÉTODO DE SOBEL E LIMIAR DE MÁXIMA ENTROPIA

21. Esses testes foram realizados em dois conjuntos de amostras de concreto que
continham componentes fundidos sequencialmente para fornecer condições para testar as
interfaces das camadas. Embora as amostras não tenham sido produzidas usando uma
impressora controlada por computador, afirmamos que os materiais e a interface representam
adequadamente uma estrutura idealizada impressa em 3D, necessária para controlar as
variáveis do nosso estudo.
As condições idealistas eliminaram a variabilidade nos resultados que surgem das
superfícies impressas ásperas e da variação da geometria da seção transversal dos
espécimes impressos. Todos os corpos de prova tinham duas camadas de concreto, criando
uma interface de camada examinada durante os testes..
METODOLOGIA

22. O primeiro conjunto de amostras de concreto inclui amostras artificialmente
“desagregadas" e amostras “agregadas". Um rompedor de ligação física fino e permeável (3
folhas de papel toalha) foi colocado entre as camadas das amostras e permaneceu nas
amostras durante todo o teste. As amostras As amostras coladas incluíam algumas com
composto de cura colocado entre as (aqui referidas como “agregadas (CC)") e outras sem.
O segundo conjunto de amostras de concreto retrata níveis variados de severidade
da junta fria, fabricada de forma que a segunda camada de concreto fresco fosse colocada
30 minutos, 2 horas, 1 dia, 3 dias ou 7 dias após a colocação da primeira camada de
concreto fresco.

23. Todos os espécimes de laboratório foram criados com as mesmas proporções de
projeto de mistura, o que produziu um concreto imprimível e de peso normal. O cimento
Portland que representa as características dos tipos I e II da ASTM (Tipo I/II), comumente
produzido nas regiões central e leste dos Estados Unidos, foi utilizado em todas as misturas.
Os agregados consistiam em areia natural e lascas de calcário com um tamanho nominal
máximo de agregado de 3/8 polegadas.
As misturas anteriores com a mesma composição tiveram uma cura inicial e uma cura
final de 30 minutos e 2 horas, respectivamente, após a adição da água da mistura. Os
constituintes do concreto para as camadas coladas, descoladas e inferiores dos corpos de
prova de juntas frias foram misturados de acordo com o procedimento da ASTM C192,
usando um misturador de panela, enquanto as camadas superiores dos corpos de prova de
juntas frias foram misturadas em uma batedeira média.

24. Todos os espécimes de laboratório foram criados com as mesmas proporções de
projeto de mistura, o que produziu um concreto imprimível e de peso normal. O cimento
Portland que representa as características dos tipos I e II da ASTM (Tipo I/II), comumente
produzido nas regiões central e leste dos Estados Unidos, foi utilizado em todas as misturas.
Os agregados consistiam em areia natural e lascas de calcário com um tamanho nominal
máximo de agregado de 3/8 polegadas.
As misturas anteriores com a mesma composição tiveram uma cura inicial e uma cura
final de 30 minutos e 2 horas, respectivamente, após a adição da água da mistura. Os
constituintes do concreto para as camadas coladas, descoladas e inferiores dos corpos de
prova de juntas frias foram misturados de acordo com o procedimento da ASTM C192,
usando um misturador de panela, enquanto as camadas superiores dos corpos de prova de
juntas frias foram misturadas em uma batedeira média.

25. O teste de carga de ruptura do prisma dividido é um teste de compressão controlado
por deslocamento, compressivo, controlado por deslocamento, que foi realizado em todas as
amostras de concreto após a conclusão do ensaio não destrutivo. Uma máquina MTS
FlexTest Digital Controller aplicou uma carga compressiva máxima de 100 kips ao longo das
interfaces das camadas usando a configuração mostrada na Figura 7. Metades da haste com
22 polegadas de comprimento e 1,5 polegadas de diâmetro foram soldadas às placas para
distribuir a carga compressiva uniformemente ao longo do comprimento da interface do corpo
de prova com o objetivo de promover a fratura através da interface sem esmagar o substrato
de concreto.
ENSAIO

26. Fig. 7. Configuração do teste de carga de ruptura do prisma dividido mostrando a máquina
de teste e a barra de distribuição de carga (esquerda) e a orientação da amostra de teste
(direita)
Fonte: (HELSEL et al., 2021)

27. A carga de ruptura da ligação foi determinada com base em comparações de carga e
medições de carga e deslocamento e inspeção visual da aparência da rachadura durante o
teste mecânico. O atuador carregou o concreto a uma taxa controlada de deslocamento de
0,0125 polegadas por minuto continuamente até a falha. A carga e o deslocamento foram
zerados em uma posição logo acima dos corpos de prova. A carga de ruptura da ligação
medida, Lf (kips), foi dividida pela área da seção transversal da interface, A (pol.2), para
calcular a resistência da união, σ (psi), usando σ = 1000Lf/A.
Os raios X foram disparados através das amostras de concreto por um técnico
certificado. Depois de medir as dimensões da amostra, cada amostra de concreto foi
colocada em cima de uma placa detectora digital com manga, com o plano de interface da
camada paralelo ao caminho de propagação dos raios X. A distância entre a placa do
detector e a fonte de raios X foi fixada em 90,2 cm.

28. O técnico certificado disparou raios X através do concreto usando uma corrente de
tubo de 4 mA e tensão constante de 250 V por um tempo de exposição de 2 min e 30 s. Os
raios X foram liberados dentro de uma sala vazia e blindada com chumbo. Quando a
exposição foi interrompida, o técnico removeu a amostra da placa do detector com luva,
desligou a luz e retirou a placa do detector da luva. A placa do detector foi colocada em um
sistema DRX-1 da Carestream, que mediu o pulso de tensão e moldou os sinais em uma
imagem radiográfica digital em escala de cinza.
O detector utilizou um cintilador de oxissulfeto de gadolínio (GOS), queé um material
luminescente que absorve a energia das partículas de radiação de raios X que chegam e
reemite a energia absorvida na forma de luz. Os canais de luz reemitidos passam por um
fotodiodo que converte a luz em um pulso de tensão. luz em um pulso de tensão. O sistema
DRX-1 da Carestream foi conectado com o computador e permitiu que o técnico visualizasse
os resultados do raio X em uma imagem em escala de cinza de 8 bits e 256 tons.

29. O software de visualização digital Carestream Industrex realizou ajustes de fundo em
cada apresentação de imagem, influenciando individualmente as distribuições e os valores da
escala de cinza. Para tornar as imagens de raios X das amostras comparáveis, o software
ImageJ foi utilizado para processar as imagens, atenuando os efeitos dos ajustes de fundo
do software. As ferramentas de detecção de bordas Sobel e limiar de entropia máxima,
técnica de normalização da escala de cinza da imagem converteram as imagens de raios X
em preto e branco.

30. As imagens de radiografia de raios X mostraram interfaces de camada claramente
definidas nos espécimes desagregados, enquanto os espécimes bem agregados apareceram
como uma única unidade sem uma interface óbvia, conforme evidenciado na Figura 8.
Os pixels brancos no meio das imagens dos espécimes desagregados e da junta fria
de 7 dias representam interfaces de camadas fracas. Enquanto isso, não há padrões fortes
no sombreamento de pixels dos espécimes de junta fria agregados ou de 30 minutos, que o
teste mecânico comprovou estarem bem unidos.
RESULTADO E DISCUSSÕES

31. Fig. 8. Imagens de raio X após a aplicação dos métodos de Sobel e de máxima
entropia em [A] união, [B] junta fria de 30 minutos, [C] descolamento, [D] espécimes
de junta fria de 7 dias e [E] espécimes de junta fria de 2 horas
Fonte: (HELSEL et al., 2021)

32. Uma comparação da proporção entre a contagem de pixels brancos e a contagem
total de pixels nas imagens de raios X processadas com as resistências de união
determinadas pelos testes de carga de prisma dividido, mostrados na Fig. 8, revela uma
relação: o aumento da força de ligação está associada à diminuição da porcentagem de
contagem de pixels brancos. Assim, as imagens de raios X corroboram os resultados dos
testes mecânicos e confirmam que a qualidade da interface está relacionada à resistência de
união medida.
Embora a radiografia possa ser utilizada para prever a qualidade da ligação de uma
interface de concreto usando essa relação, os problemas de segurança e portabilidade com
exposições de raios X limitam a utilidade da radiografia para aplicações em ensaios não
destrutivos de larga escala.

33. Fig. 9. Relação entre a relação de contagem de pixels brancos/totais determinada a
partir de imagens de raios X processadas versus a resistência de união medida a
partir dos testes de carga de ruptura do prisma dividido. Os espécimes bem
agregados, fracamente agregados e desagregados são indicados por círculos,
quadrados e losangos, respectivamente.
Fonte: (HELSEL et al., 2021)

34. A radiografia de raios X, na qual as imagens foram expressas em porcentagem de
contagem de pixels brancos em relação à contagem total de pixels para imagens de
radiografia após a realização do método de detecção de bordas Sobel e do limiar de entropia
máxima, é capaz de caracterizar as alterações na resistência da ligação das amostras de
concreto em camadas. As interfaces de camadas mais fracas eram visíveis nas imagens de
raios X.
CONCLUSÕES

35. REFERÊNCIAS
ANDREUCCI, Ricardo. Radiologia Industrial. 1. ed. São Paulo: ABENDI, 2017. p. 1-122.
HELSEL, M. A. et al. Non-destructive testing to characterize interlayer bonds of idealized concrete
additive manufacturing product. Elsevier NDT and E International, v. 121, p. 1185-1189, mar./2021.
Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869521000426. Acesso em: 29
set. 2023.
PEREIRA, V. A. G. et al. Uso Da Propriedade Intelectual Para A Concepção De Tecnologias
Disruptivas E O Uso Da Impressão 3D Como Solução Para O Déficit Habitacional. Revista Científica
Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento, São Paulo, v. 16, n. 5, p. 5-33, out./2020. Disponível em:
https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/concepcao-de-tecnologias. Acesso em: 29
set. 2023.
THE GUARDIAN. World's first 3D-printed bridge opens to cyclists in Netherlands. Disponível em:
https://www.theguardian.com/technology/2017/oct/18/world-first-3d-printed-bridge-cyclists-netherlands.
Acesso em: 1 out. 2023.