Performance of piezoelectric materials for road applications

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia CivilCom o desenvolvimento da tecnologia assiste-se hoje em dia ao aparecimento de máquinas inteligentes nas mais diversas áreas sendo exemplo no ramo automóvel as viaturas com sensores de forma a facilitar a vida ao condutor e ao mesmo tempo proporcionar conforto, segurança e poupança de energia. Também os pavimentos rodoviários não são exceção e cada vez mais as novas estradas são equipadas com sensores que permitem a sua constante monitorização para fins de conservação e segurança, como por exemplo as balanças para pesagem dos veículos e sensores de nevoeiro que alertam os condutores para condições deficientes de visibilidade. Deste modo, o objetivo essencial deste trabalho consiste na validação e aplicação de sensores que possam ser incorporados num pavimento de modo a conseguir aproveitar energia resultante da oscilação do pavimento aquando da passagem dos veículos assim como monitorizar variáveis relacionadas com a passagem de veículos pelas estradas. Para o efeito pretendeu-se: (1) estudar as características do pavimento, a nível de composição, construção e comportamento mecânico para que desta forma se consiga desenvolver um sensor que reúna características compatíveis com as do pavimento; (2) validar o comportamento em laboratório num equipamento que simula o comportamento mecânico de um pavimento quando solicitado por uma carga sinusoidal correspondente à sucessiva passagem dos veículos; (3) aplicar os sensores num pavimento rodoviário de uma estrada nacional com a necessária instrumentação auxiliar de modo a monitorizar a resposta do sensor durante a passagem do tráfego em condições reais. Na campanha experimental usaram-se dois tipos de materiais piezoelétricos, nomeadamente materiais de origem cerâmica e materiais de origem polimérica. Verificou-se que os materiais de origem cerâmica apresentam resposta superior quando comparados cos sensores de origem polimérica. No entanto, ambos são sensíveis: (1) à variação de temperatura; (2) às deformações impostas nos ensaios laboratoriais; (3) às frequências impostas. Na aplicação dos materiais em condições reais de tráfego verificou-se que estes foram sensíveis à passagem dos veículos sobre o pavimento na zona de aplicação dos sensores. Para além disso verificou-se a sua sensibilidade ao tipo de eixo dos veículos.With the development of technology smart materials and intelligent machines and sensors have been developed in several fields namely in the car industry with increasing quality on the monitoring to make the user conditions better and contribute for the improvement of comfort, safety and reduce energy costs. The highways are not an exception and roads have been increasingly monitored by using sensors aiming at reaching better condition of safety and conservation. Innovative weighing systems of vehicles have been studied and novel fog sensors have been developed to enhance visibility conditions. Therefore, the main aim of this work is the validation and application of piezoeletric sensors that can be incorporated in pavement roads and evaluate their capacity to take advantage of the pavement vibration for energy harvesting as well as road monitoring. Thus, this work intended to: (1) study the characteristics of a pavement at the level of composition, construction and mechanical behavior so that it is possible to install in it piezoelectric sensors; (2) evaluate the laboratory mechanical behavior in an equipment that simulates te mechanical behavior of a pavement when subjected to a sinusoidal action corresponding to the successive traffic; (3) apply the sensors in real conditions with auxiliary monitoring equipment to record the behavior of the sensor with the traffic. For the laboratory tests, two types of sensors were used, namely ceramic and polymeric piezoelectric sensors. During the experimental campaign it was possible to verify that ceramic sensors present a superior performance when compared to polymeric sensors. However, both types of sensors were sensitive to (1) temperature variations, (2) imposed deformations and (3) different levels of frequencies. In real conditions of a pavement road and traffic, it was possible to assess its sensitiveness to the traffic over the pavement in the application zone of the sensors. Besides, the sensors were sensitive to the axle load of vehicles

Resistência à fadiga em misturas betuminosas para pavimentos rodoviários

Perante as cargas do tráfego, as camadas betuminosas dos pavimentos rodoviários estão sujeitas a um estado de tracção na sua base. A passagem repetida das cargas do tráfego provoca um fenómeno de fadiga das misturas betuminosas que origina o fendilhamento das misturas betuminosas e consequentemente dos pavimentos, afigurando-se este como a principal degradação que ocorre nos pavimentos. Desde os anos 60 que o fendilhamento dos pavimentos tem vindo a ser estudado tendo-se desenvolvido inúmeros ensaios para a sua avaliação. Dentre os mais conhecidos encontram-se o ensaio de flexão em quatro pontos sobre vigas prismáticas e o ensaio de tracção indirecta por compressão diametral em provetes cilíndricos. A análise dos resultados destes ensaios relaciona o nível de extensão ou tensão instalada no provete com o número de ciclos de carga que provoca a sua rotura. Este artigo apresenta a forma como a resistência à fadiga das misturas betuminosas é avaliada e considerada no dimensionamento de pavimentos e as tentativas para redução do tempo de ensaio

Experimental analysis on the functional properties of rendering mortars with superficial addition of TiO2 nanoparticles

Recent developments in the area of nanomaterials science and nanotechnology are changing the field of construction and building industry. The construction industry has been increasingly identified as an important market for the use of nanomaterial´s since this can make buildings cleaner (minimizing the pollution effects and also reducing the building facades maintenance costs), resistant and energy efficient (thermal energy storage). In order to contribute for the development of this area, this work aims the production of rendering plastering mortars with multifunctional properties such as photocatalytic capacity and improving thermal capabilities. Standard plastering mortars were modified by spraying titanium dioxide (TiO2) from a water-based TiO2 nanoparticles solution. Two mortar compositions, which are representative of rendering mortars, namely composition, 1:1:6 and 1:2:9 (cement:lime:sand) in volume, were considered. Additionally, two distinct water/binder ratios were considered to induce distinct porosities and thus to evaluate the differences on the mechanical and physical properties of the mortars after the addition of the TiO2 nanoparticles

Out-of-plane behavior of masonry infill walls

In order to investigate the out-of-plane behaviour of masonry infill walls, quasi-static testing was performed on a masonry infill walls built inside a reinforced concrete frame by means of an airbag system to apply the uniform out-of-plane load to each component of the infill. The main advantage of this testing setup is that the out-of-plane loading can be applied more uniformly in the walls, contrarily to point load configuration. The test was performed under displacement control by selecting the mid-point of the infill as control point. Input and output air in the airbag was controlled by using a software to apply a specific displacement in the control point of the infill wall. The effect of the distance between the reaction frame of the airbag and the masonry infill on the effective contact area was previously analysed. Four load cells were attached to the reaction frame to measure the out-of-plane force. The effective contact area of the airbag was calculated by dividing the load measured in load cells by the pressure inside the airbag. When the distance between the reaction walls and the masonry infill wall is smaller, the effective area is closer to the nominal area of the airbag. Deformation and crack patterns of the infill confirm the formation of arching mechanism and two-way bending of the masonry infill. Until collapse of the horizontal interface between infill and upper beam in RC frame, the infill bends in two directions but the failure of that interface which is known as weakest interface due to difficulties in filling the mortar between bricks of last row and upper beam results in the crack opening trough a well-defined path and the consequent collapse of the infill

Avaliação de métodos de caracterização de betumes modificados

Os betumes modificados são usados na pavimentação para minimizar os principais problemas das misturas betuminosas. Contudo estes possuem características diferentes dos betumes convencionais, sendo a caracterização básica utilizada nos betumes convencionais insuficiente para a sua correta/completa caracterização. Assim, o principal objetivo deste estudo é a avaliação de diferentes betumes modificados (com óleo de motor usado e um polímero) e a sua comparação com um betume modificado comercial, através de ensaios de caracterização básica e avançada. Concluiu-se que dois dos betumes modificados com óleo de motor usado e SBS apresentam características iguais e/ou superiores ao betume modificado comercial. Para além disso, os resultados dos ensaios são muito condicionados pelas condições a que são realizados e que a caracterização avançada é essencial para complementar os ensaios de caracterização básica.FEDER através do Programa Operacional de Competitividade – COMPETE e por fundos nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia no âmbito da bolsa de doutoramento (SFRH/BD98379/2013

Development and application of a microsurfacing mix design method to assess the influence of the emulsion type

Microsurfacing asphalt mixtures are a preventive maintenance technology comprising the application of a slurry (produced with a modified asphalt emulsion), aggregate, filler, and water on top of an existing pavement at ambient temperature. Although it is a widely used technology, further studies on the mix design procedures are necessary to ensure an adequate composition. Thus, this study contributes to developing an improved mix design procedure for microsurfacing asphalt mixtures. Different mixtures were prepared, and the influence of the type and amount of asphalt emulsion and the amount of added water and filler (cement) on the characteristics of the mixture were evaluated. Two preliminary tests, referred to as the “pizza test” and the “ball test”, were proposed to determine the initial proportions of added water and cement in the mixture, respectively. Then, consistency, cohesion, and shaking abrasion tests were performed to determine the optimum content of each component and evaluate their influence on the mixture characteristics. The results showed that these tests are essential to optimize the mix composition, even though it was found that the mix design of microsurfacings is a complex task because the mixture is a system with chemical interactions strongly influenced by its composition.This research was funded by Fundação para a Ciência e a Tecnologia through a Ph.D. grant (number 2021.08004.BD). This work was also partly financed by FCT/MCTES through national funds (PIDDAC) under the R&D Unit Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), reference UIDB/04029/2020, and under the Associate Laboratory Advanced Production and Intelligent Systems ARISE, reference LA/P/0112/2020

In-plane and out-of plane experimental characterization of rc masonry infilled frames

Seismic investigations of typical south European masonry infilled frames were performed by testing two reduced scale specimens: one in the in-plane direction and another in the out-ofplane direction. Information about geometry and reinforcement scheme of those structures constructed in 1980s were obtained by [1]. The specimen to be tested in the in-plane direction was constructed as double leaf masonry while the specimen for testing in the out-of-plane direction is constructed with only its exterior leaf since the recent earthquakes have highlighted the vulnerability of the external leaf of the infills in out-of-plane direction [2]. The tests were performed by applying the pre-defined values of displacements in the in-plane and out-of-plane directions in the control points. For in-plane testing it was done by hydraulic actuator and for out-of-plane testing through the application of an airbag. Input and output air in the airbag was controlled by using a software to apply a specific displacement in the control point of the infill wall. Mid-point of the infill was assumed as a control point for outof- plane testing. Deformation and crack patterns of the infill confirm the formation of two-way arching mechanism of the masonry infill until collapse of the upper horizontal interface between infill and frame which is known as weakest interface due to difficulties in filling the mortar between bricks of last row and upper beam. This results in the crack opening through a welldefined path and the consequent collapse of the infill

Desenvolvimento de uma metodologia de avaliação da resistência ao rolamento de diferentes misturas betuminosas

Os pavimentos rodoviários são infraestruturas de grande importância para o desenvolvimento económico de qualquer país. Atualmente, o principal critério utilizado na conceção dessas infraestruturas deixou de ser apenas o seu menor custo, valorizando-se a perspetiva ambiental e procurando determinar todos os impactos de longo prazo (económicos, ambientais ou sociais) deste tipo de investimentos. Nesse sentido, o consumo de combustível dos veículos que circulam nos pavimentos tem um peso significativo em termos económicos e ambientais, justificando a procura de soluções que permitam reduzir esse consumo de forma a garantir um desenvolvimento mais sustentável. No que diz respeito às características dos pavimentos, um dos fatores que mais influencia o consumo dos veículos é a resistência ao rolamento. Tendo em conta que as características dos pavimentos, em especial as superficiais, têm uma influência significativa nessa propriedade, com o presente trabalho pretendeu desenvolver-se uma metodologia de avaliação da resistência ao rolamento de misturas betuminosas com diferentes características superficiais. Assim, é possível avaliar que misturas ou características superficiais permitem contribuir para uma redução do consumo de combustível e das emissões de gases resultantes da sua queima ao longo do ciclo de vida de um pavimento. A obtenção de resultados do consumo energético necessário para circular sobre diferentes misturas betuminosas foi conseguida através do desenvolvimento de um protótipo. O consumo energético do movimento circular das rodas, equipadas com pneus convencionais de veículos ligeiros, foi medido para diferentes superfícies e a sua utilização para a avaliação da sustentabilidade das misturas estudadas é analisada no presente artigoFEDER através do Programa Operacional de Competitividade - COMPETE e por fundos nacionais através da FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia - no âmbito do Projeto PLASTIROADS - PTDC/ECM/119179/201

Desenvolvimento de equipamento para avaliação do consumo e da desagregação devido à resistência ao rolamento de pavimentos rodoviários

Atendendo a que as caraterísticas estruturais e superficiais dos pavimentos rodoviários influenciam o consumo de combustível dos veículos, foi desenvolvido um equipamento que pretende determinar as diferenças de consumo de energia imputáveis à circulação em pavimentos com diferentes caraterísticas superficiais, de forma a avaliar soluções mais sustentáveis que permitam reduzir os custos para os utentes devido ao consumo de combustível. Para além disso, o equipamento permitirá ainda avaliar a resistência à desagregação. Neste sentido, este equipamento apoiará a seleção de misturas betuminosas ou de processos construtivos , demonstrando os resultados até agora obtidos que este tem grande potencial para ser utilizado duma forma mais generalizada, conseguindo ser sensível às alterações das características superficiais das misturas utilizadas nos pavimentos e que e influenciam a resistência ao rolamentoFinanciado por fundos FEDER através do Programa Operacional de Competitividade -COMPETE e por fundos nacionais através da FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia - no âmbito do Projeto PLASTIROADS - PTDC/ECM/119179/201

Low-temperature performance of polymer-modified binders in stone mastic asphalts

When temperatures drop to significantly low levels, road pavements are subjected to thermally-induced stresses, resulting in the appearance of thermal cracking, among other distresses. In these situations, polymers can be used as asphalt binder modifiers to improve certain asphalt binder properties, such as elastic recovery, cohesion, and ductility. Polymers also minimize some of the problems of asphalt mixtures, such as thermal and fatigue cracking and permanent deformation. This work’s objective was to study the behavior of asphalt mixtures at low temperatures, mainly when using modified binders. Thus, three binders were selected and tested: a standard 50/70 penetration grade bitumen and two polymer-modified binders (PMB), obtained by adding, respectively, 2.5% and 5.0% of styrene–butadiene–styrene (SBS) in the 50/70 pen grade bitumen. Then, the PMBs were incorporated into stone mastic asphalt mixtures (namely SMA 11), which were subjected to low-temperature mechanical tests based on the most recent European Standards. The asphalt binders and mixtures evaluated in this work were tested for thermal cracking resistance, creep, elastic recovery, cohesive strength, and ductility strength. Overall, it is concluded that the studied asphalt mixtures with PMB, with just 2.5% SBS, performed adequately at low temperatures down to −20 °C.This research was funded by FCT/MCTES through national funds (PIDDAC) under the R&D Unit Institute for Sustainability and Innovation in Structural Engineering (ISISE), under reference code UIDB/04029/2020