Mechanical Properties and Durability of Limestone Calcined Clay Cement (LC3) in Engineered Cementitious Composites LC3-ECC with Steel Fibers
Propriedades Mecânicas e Durabilidade do Cimento LC3 (Calcário e Argila Calcinada) em Compósitos Cimentícios Engenheirados LC3-ECC com fibras de aço
Autores:
- Ana Carolini Soato Lins *
- Otavio Gandolphi;
- Guilherme Silveira; Laura Silvestro**
- Rúbia Mara Bosse**
- Rodrigo S. Ribeiro;
- Geannina Terezinha Lima;
- Gustavo Gidrão**
* Bolsista NAPI EZC
** Pesquisadores NAPI EZC
Publicado 27 de novembro de 2025
Abstract
This study investigates the mechanical properties and durability of Limestone Calcined Clay Cement (LC3) in Engineered Cementitious Composites (LC3-ECC) reinforced with steel fibers, with contents varying from 0 to 2% by volume. The dynamic elastic modulus of the composites was determined using ultrasound and acoustic tests (Sonelastic), and a correlation between both tests was proposed. A 3-point bending test was conducted to determine the flexural strength, toughness, resilience, and ductility of the LC3-ECC. The compressive strength at 7 and 28 days was also evaluated. Finally, a durability test through chloride migration and a simplified carbon dioxide (CO2) emissions analysis was performed. Incorporating 2.0% fiber content resulted in increases of 40% in flexural strength, 1270% in toughness, 243% in resilience, and 166% in ductility. This demonstrates the ability of LC3-ECC to withstand strain under load without failure and to maintain residual stresses in the post-peak phase. The calculation of CO2 emissions indicated that incorporating fibers at percentages up to 2.0% increased the eco-efficiency to 7.89 Mpa/kg CO2 compared to 6.78 MPa/kg CO2 for the composites without fibers in terms of flexural strength. Therefore, the study highlights that steel fibers balance between improving mechanical performance and minimizing environmental impact, particularly in the optimal 2% fiber mix that combines robust structural benefits with a manageable environmental footprint.
Resumo
Este estudo investiga as propriedades mecânicas e a durabilidade do Cimento de Argila Calcinada de Calcário (LC3) em Compósitos Cimentícios de Engenharia (LC3-ECC) reforçados com fibras de aço, com teores variando de 0 a 2% em volume. O módulo de elasticidade dinâmico dos compósitos foi determinado utilizando testes ultrassônicos e acústicos (Sonelastic), e uma correlação entre ambos os testes foi proposta. Um teste de flexão de três pontos foi realizado para determinar a resistência à flexão, tenacidade, resiliência e ductilidade do LC3-ECC. A resistência à compressão aos 7 e 28 dias também foi avaliada. Finalmente, um teste de durabilidade por meio da migração de cloretos e uma análise simplificada das emissões de dióxido de carbono (CO2) foram realizados. A incorporação de 2,0% de fibras resultou em aumentos de 40% na resistência à flexão, 1270% na tenacidade, 243% na resiliência e 166% na ductilidade. Isso demonstra a capacidade do LC3-ECC de suportar deformação sob carga sem falhar e de manter tensões residuais na fase pós-pico. O cálculo das emissões de CO2 indicou que a incorporação de fibras em percentagens de até 2,0% aumentou a eco-eficiência para 7,89 MPa/kg CO2 em comparação com 6,78 MPa/kg CO2 para os compósitos sem fibras em termos de resistência à flexão. Portanto, o estudo destaca que as fibras de aço equilibram a melhoria do desempenho mecânico e a minimização do impacto ambiental, particularmente na mistura ideal de 2% de fibras que combina benefícios estruturais robustos com uma pegada ambiental gerenciável.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
