This paper reports new hierarchical cementitious composites developed using microcrystalline cellulose (MCC), sisal fibers and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) as the dispersing agent. MCC was dispersed in water without and with CTAB at different concentrations using ultrasonication and the optimum CTAB concentration for achieving homogeneous and stable MCC suspensions was found to be 40%. Hierarchical composites were fabricated using MCC (0.1–1.5 wt% of cement), sisal fibers (20 mm, 0.25% and 0.50 wt% of cement), 40% CTAB and tri-butyl phosphate as the defoaming agent. Mechanical strengths of composites improved significantly at 0.1 wt% MCC, which along with 0.5% sisal fibers improved compressive and flexural strengths by ~ 24% and ~ 18%, respectively. The hybrid reinforcement exhibited a synergistic effect on the fracture behavior of composites improving the fracture energy up to 40%. Hierarchical composites also showed improved fiber-matrix bonding, lower porosity and water absorption, superior hydration, carbonation resistance and durability up to 90 ageing cycles.

The tensile behaviour of concrete corresponds to approximately 10% of its compressive strength. This limitation can be overcome with the incorporation of short fibres in concrete. Adding fibres to concrete increases its direct tensile strength, flexural tensile strength, toughness and ductility, and improves its crack resistance and ability to absorb energy after cracking. This paper focuses on the effect of the incorporation of carbon nanotubes (CNTs) in concrete reinforced with steel fibres on the flexural strength, toughness and residual strength of the concrete. For this purpose, three-point flexural tests were performed on prismatic-notched specimens. Concretes were manufactured with 1% steel fibres and three different quantities of nanoparticles (0.05, 0.10 and 0.15%). Compressive strength tests were also carried out. The fibre-reinforced concrete with the lowest content of CNTs (0.05%) led to an increase in maximum flexural strength by 9% when compared with the addition of only steel fibre and by more than 48% for the concrete without fibres. In addition, the residual strength also increased, leading to greater rigidity, toughness and load-bearing capacity.

RESUMO O concreto é um material com elevada frequência de utilização em construções brasileiras e em edificações de países ao redor do mundo. Fatores como os custos reduzidos dos materiais, elevado volume de pesquisa e resistência elevada, colaboram para a grande utilização do concreto como material de construção. Entretanto, o concreto tem baixa resistência à tração, fissura facilmente e apresenta pequena capacidade de deformação. O concreto reforçado com fibras (CRF) foi desenvolvido na década de 60 e é um material que apresenta uma boa resposta mecânica em termos de resistência residual após a fissuração da matriz e consequentemente um comportamento mais dúctil do que o concreto sem fibras. Entretanto, o efeito da adição de fibras no concreto restringe-se somente a fase pós-fissuração do processo de carregamento. As fibras não tem efeito no comportamento que antecede a carga de pico. Avanços recentes em nanotecnologia têm possibilitado a produção de nanopartículas, em especial, nanotubos de carbono. Tratam-se de nanopartículas que podem ser utilizadas como reforço da matriz cimentícia para atuar ao nível de sua nanoestrutura. A pesquisa proposta estuda o comportamento de concretos contendo a incorporação de nanotubos de carbono e também de concretos reforçados com fibras de aço (CRFA) juntamente com a adição de nanotubos de carbono. A pesquisa tem o objetivo de avaliar melhorias na resposta dos concretos e dos CRFA, a partir da incorporação das nanopartículas de carbono. Foram realizados ensaios de compressão e de flexão em três pontos em corpos de prova prismáticos entalhados. Foi constatado que os nanotubos de carbono permitem reduzir a absorção de água e melhorar a mobilidade das misturas (de concreto e de CRFA) no estado fresco. Também foram observados aumentos, na resistência à compressão axial e resistências flexionais dos materiais concreto e CRFA quando da adição de nanotubos de carbono.