As vitrocerâmicas bioativas são materiais sintéticos capazes de aderirem quimicamente aos minerais presentes na estrutura dentária. A união dos cimentos de ionômero de vidro modificados por resina (CIVMRs) à dentina pode ser influenciada por diferentes tipos de tratamentos prévios à restauração. Os objetivos deste estudo foram: avaliar a resistência à compressão, a rugosidade e a adesão à dentina de CIVMRs (Fuji II LC e Vitremer) após a incorporação de partículas de vitrocerâmicas bioativas (Biosilicato®); foi ainda, avaliar a resistência à degradação da adesão à dentina dos CIVMRs, utilizando-se EDTA como pré-tratamento dentinário. Para o teste de resistência à compressão foram confeccionados cilindros sendo que 2, 5 e 10 % em peso de partículas de vitrocerâmica bioativa foram incorporadas aos pós dos CIVMRs, armazenados em água destilada por 24h a 37°C até a realização dos testes. A rugosidade dos cimentos experimentais (2% de vitrocerâmica bioativa) e controles foi avaliada por microscopia de força atômica (MFA) após armazenamento a seco e em 100 % de umidade por 1 mês. Para os testes de microtração, as superfícies das cavidades foram tratadas seguindo-se as instruções dos fabricantes ou utilizando-se EDTA. Os espécimes foram restaurados com os CIVMRs experimentais (2% de vitrocerâmica) e controles. Após as restaurações, os espécimes foram armazenados em água por 24h e 7d. Para o teste de degradação, os CIVMRs foram armazenados por 24h, 3m e imersos em 10% de hipoclorito de sódio por 5h. Os dentes foram seccionados em palitos e submetidos ao teste de microtração. ANOVA e teste de múltiplas comparações foram realizados (p<0,05). O modo de fratura foi classificado em adesivo, misto e coesivo e alguns espécimes foram analisados em microscopia eletrônica de varredura (MEV). Apenas os cimentos com 2% de vitrocerâmica bioativa obtiveram resistência a compressão semelhante ao grupo controle. Para os grupos controles, Fuji II LC apresentou-se mais rugoso que o Vitremer e o seu armazenamento à seco aumentou sua rugosidade. A condição de armazenamento, seco ou úmido, não afetou a rugosidade dos CIVMRs experimentais. A vitrocerâmica bioativa aumentou significantemente a adesão à dentina dos CIVMRs após armazenamento por 24h, exceto para o Fuji II LC quando EDTA foi utilizado. A aplicação de EDTA aumentou significantemente os valores de resistência adesiva. No estudo de degradação da união, valores de resistência adesiva significantemente maiores foram obtidos nos grupos onde a dentina foi pré-tratada com EDTA. A resistência adesiva do Fuji II LC à dentina não foi afetada pelos métodos de degradação utilizados. Valores de resistência adesiva significantemente menores foram observados para os espécimes restaurados com Vitremer após os dois métodos de degradação, exceto quando a dentina foi prétratada com EDTA. As falhas do tipo mistas foram prevalentes. Em conclusão, 2% de partículas de vitrocerâmica bioativa podem ser incluídas nos CIVMRs sem afetar suas propriedades mecânicas. A rugosidade dos CIVMRs experimentais não foi afetada pelo meio de armazenamento. A inclusão de vitrocerâmicas bioativas aumentou a resistência adesiva somente após armazenamento de 24h. A utilização de EDTA como pré-tratamento dentinário aumentou a resistência adesiva para todas as condições e preveniu a degradação da interface adesiva do Vitremer. / Bioactive glass-ceramics are synthetic materials capable of chemically bonding to dental structures. Adhesion of resin-modified glass-ionomer cements (RMGICs) to dentin may be influenced by different types of dentin pre-treatments. The objective of this study was to analyze the compressive strength, roughness and adhesion to dentin of RMGICs (Fuji II LC and Vitremer) after the incorporation of bioactive glassceramic particles (Biosilicate). Additionally, the durability of the RMGICs adhesion was analyzed after the application of EDTA as a pre-treatment of dentin. Cylinders of RMGICs with incorporation of 2, 5 and 10 % in weight of bioactive glass-ceramic particles were made for compressive strength, and stored in water for 24h at 37°C. Roughness of control and experimental (2% bioactive glass-ceramic) RMGICs was analyzed by atomic force microscopic (MFA) after storage in dry and humidity conditions for 1 month. For the microtensile test, the surfaces of the cavities were treated following the manufacturers instructions or by applying EDTA. The cavities were restored with control and experimental (2% bioactive glass-ceramic) RMGICs. After restorations, the specimens were stored in water for 24h and 7 days. For the degradation test, the RMGICs were stored for 24h, 3 months or immersed in 10% NaOCl for 5h. Teeth were sectioned in beams and submitted to microtensile test. ANOVA and multiple-comparisons tests were used (p<0.05). Mode of failure was classified in adhesive, mixed and cohesive, some specimens were analyzed by scanning electronic microscopic. Only the RMGICs with 2% of bioactive glassceramic obtained compressive strength similar to the control RMGICs. The storage conditions, dry or humidity, did not affect the roughness of experimental RMGICs. Bioactive glass-ceramic significantly increased the adhesion to dentin of RMGICs after storage for 24h, except for Fuji II LC when EDTA was applied. The application of EDTA significantly increased the values of bond strength. For the degradation study, high values of bond strength were also observed in groups where the dentin was pre-treated with EDTA. The bond strength of Fuji II LC to dentin was not affected by the degradation methods. Vitremer specimens presented significantly lower bond strength values after degradation methods, except when EDTA was applied. Mixed failures were the most prevalent in all groups. In conclusion, 2% of bioactive glassceramic particles may be included in RMGICs without affecting their mechanical properties. Roughness of experimental RMGICs was not affected by storage conditions. The incorporation of bioactive glass-ceramic increased the bond strength after storage for 24h. The application of EDTA as a pre-treatment of dentin increased the bond strength for all conditions studied and prevented the degradation of adhesive interface of Vitremer.

Os materiais bioativos são materiais sintéticos que possuem superfícies ativas em que os minerais presentes em tecidos duros podem se ligar quimicamente. Há alguns estudos em Odontologia, onde partículas desses materiais foram incorporadas aos Cimentos de Ionômero de Vidro (CIVs) e Cimentos de Ionômero de Vidro modificados por resina (CIVMRs) com o objetivo de se obter bioatividade, e conseqüente remineralização dentária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os efeitos da incorporação de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa nas propriedades de resistência à compressão e rugosidade de CIVMRs. Fuji II LC e Vitremer foram considerados os grupos controles. Materiais experimentais foram feitos através da incorporação de 2, 5 e 10% em peso de Biosilicato nestes CIVMRs. Seis corpos-de-prova de cada material foram confeccionados para o teste de resistência à compressão, que foi realizado em máquina de ensaios universal (Emic), a uma velocidade de 1,0 mm/min, depois de mantidos por 24 horas em água destilada a 37°C. Para análise da rugosidade, foram confeccionados dois corpos-de-prova de cada material, armazenados em água destilada por sete dias, para terem suas superfícies analisadas por meio de Microscopia de Força Atômica. Os dados da resistência à compressão e rugosidade foram submetidos à análise estatística por meio da Análise de Variância (ANOVA) a dois critérios e para comparações múltiplas foi aplicado o teste de Tukey, com nível de significância de 5%. Apenas os cimentos com 2% de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa obtiveram resistência à compressão semelhante ao grupo controle, as demais concentrações contribuíram para a diminuição dessa resistência. A incorporação de 5% de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa aumentou a rugosidade superficial dos CIVMRs estudados. / Bioactive materials are synthetic materials that have active surfaces that are capable to chemically bond to dental structures. There are some studies where particles of these materials were incorporated in Glass-ionomer cements (GIC) and Resin-modified glass-ionomer cements (RMGIC) trying to achieve bioactivity and dental remineralization. The aim of this study was to evaluate the effects of the incorporation of bioactive glass-ceramics nanoparticles on the compressive strength and roughness of RMGIC. Fuji II LC and Vitremer were considered the control groups. Experimental materials were made adding 2, 5 and 10% (weight) of Biosilicate into these RMGIC. Six specimens of each material were made to be tested on compressive strength performed with a universal testing machine (Emic) at a crosshead speed of 1.0 mm / min, after they were stored in distilled water for 24 hour at 37°C. To roughness analysis, two specimens of each material were made and stored in distilled water for 7 days and their surfaces were analyzed with a Atomic Force Microscope. Data of compressive strength and roughness were statistically analyzed by ANOVA and Tukey test for multiple comparisons. Only the RMGICs with 2% of bioactive glass-ceramic nanoparticles obtained compressive strength similar to the control RMGICs, the other concentrations decreased their compressive strength values. The incorporation of 5% of bioactive glass-ceramic nanoparticles increased the roughness of the RMGICs.

Uma das áreas da engenharia civil que têm apresentado maior potencial de crescimento é a execução de edifícios em alvenaria estrutural. Usualmente são utilizados procedimentos puramente experimentais para o desenvolvimento dos processos construtivos e de projeto. Entretanto, a experimentação sem uma modelagem teórica prévia pode ser muito dispendiosa. A modelagem numérica, desde que confiável, pode ser de grande ajuda na redução do número de corpos-de-prova a serem ensaiados e do número de pontos a serem instrumentados, bem como o seu devido posicionamento. Isso significa diminuição de custos e maior eficiência na obtenção de resultados. No presente trabalho apresentam-se as ferramentas computacionais mais adequadas para a análise de alvenaria estrutural submetida a compressão, objetivando o suporte teórico a pesquisas experimentais. Elabora-se um estudo comparativo sobre os vários recursos de modelagem numérica, linear e não-linear, disponíveis em softwares comerciais baseados no método dos elementos finitos. Inicialmente, após a apresentação do estado da arte, investiga-se a modelagem numérica do volume elementar representativo da alvenaria. Modelos não-lineares são, então, escolhidos, aferindo-os com resultados disponíveis na literatura técnica. São realizadas simulações de casos específicos de paredes de alvenaria submetidas à compressão, assim como a interação de paredes sujeitas a carregamentos verticais. Resultados experimentais são comparados com os produzidos por modelos lineares e não-lineares, focando a análise na sua representatividade e no seu grau de precisão / The construction of structural masonry buildings has been one of the most increasing civil engineering areas. The development of building and design methods usually is based only on experiments. However, testing without previous numerical analysis can be very expensive. Numerical modeling, since reliable, can be greatly helpful for reducing the number of experimental tests and the number of instrumented points, including the improvement of their positions. That enables smaller costs and higher efficiency in obtaining the results. The present work deals with the most appropriate computational strategies for the analysis of masonry walls subjected to compression, focusing the theoretical support for experimental research programs. A comparative study is elaborated on the several capabilities of linear and nonlinear numerical models, which are available in commercial computer programs based on the finite element method. Initially, after the presentation of the state-of-the-art, the numerical analysis of the representative volume masonry element is investigated. Nonlinear models are chosen and confronted with available results in the technical literature. Specific cases of masonry walls submitted to compression are numerical simulated, including the interaction of intersecting walls under vertical loads. Experimental results are compared to those produced by linear and nonlinear numerical modeling, emphasizing their effectiveness and precision

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Mustaque A. Hossain / Stacey E. Kulesza / Recycled concrete aggregate (RCA) is the byproduct of the demolition of concrete structures and pavements. An estimated 140 million tons of concrete waste is produced annually in the United States, most of which ends up in landfills. The use of RCA to replace quarried aggregates in paving projects is one way to utilize these materials and alleviate concerns regarding this increasing waste stream. RCA usage prevents waste concrete disposal into landfills, resulting in more sustainable use of mineral aggregate sources, and may further reduce costs associated with paving projects. However, the inferior physical properties of RCA, such as the presence of recycled mortar, complicate the incorporation of RCA into new concrete mixtures. State highway agencies such as the Kansas Department of Transportation are facing further issues with RCA from D-cracked pavements, raising the question if D-cracked aggregates should be used in paving operations. No known work has evaluated the effect of RCA from D-cracked pavements in subgrade soil stabilization. This study stabilized a low-plasticity clay in Kansas using RCA and three stabilizing materials (lime, Class C fly ash, and a combination of Portland cement and fly ash). Candidate mixtures with varying proportions of chemical stabilizers and D-cracked aggregates were evaluated using the standard Proctor, unconfined compressive strength, linear shrinkage, and California Bearing Ratio tests. Microstructure characteristics of selected mixtures were explored using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray tests. Laboratory test results indicated that RCA, in conjunction with all cementitious materials except lime, improved clay strength, stiffness, and shrinkage properties. SEM results indicated that RCA caused a low void space and a dense arrangement of soil particles. RCA effectively improved evaluated mixture properties when an adequate soil-RCA bond was reached using chemical agents. The long-term performance of full-depth flexible pavements with stabilized mixtures as subgrade was assessed in the AASHTOWare Pavement ME Design (commonly known as MEPDG) software. The life-cycle cost of flexible pavements with stabilized mixtures was estimated for a 40-year design period. Economic analysis results indicated that RCA was cost effective only if it was used with a combination of fly ash and Portland cement.

O emprego de resíduos da indústria como materiais alternativos na Engenharia vem sendo tópico recorrente em pesquisas de desenvolvimento de novos materiais, devido a uma maior consciência da opinião pública quanto ao impacto ambiental oriundo da produção industrial. Buscando colaborar com esta discussão, esta pesquisa procurou inserir dois resíduos (cinza volante e cal de carbureto), gerados na região metropolitana de Porto Alegre, como alternativa de solução em Engenharia. Analisando-se a microestrutura da cinza volante, observa-se que ela é formada por esferas ocas e plerosferas (esferas ocas preenchidas por esferas menores). Foi estudado o ganho de resistência da mistura promovido pela moagem da cinza volante em um moinho de bolas cerâmicas, visando uma potencialização da reatividade do material. A fim de possibilitar a utilização destes resíduos, é necessário um estudo do seu comportamento mecânico decorrente da cimentação proporcionada pela mistura e compactação destes materiais. A presente pesquisa busca fornecer subsídios para que seja possível determinar o seu comportamento, através do uso da relação porosidade (η)/teor volumétrico de cal (LV) obtidas a partir da identificação e quantificação das variáveis mais importantes no controle da resistência da mistura dos dois resíduos, com e sem o processo de moagem da cinza, levando a formulação de equações para previsão da resistência à compressão simples do material cimentado para cinza volante com diferentes tempos de moagem e cura acelerada. Para isso, foram realizados ensaios de compressão simples em corpos de prova com 5, 10 e 15% de cal, com peso específico aparente seco de 11, 12 e 13 kN/m3, curados por 7 dias, com umidade de 18% para os tempos de moagem 0, 2 e 6h nas temperaturas 23 e 40°C, e 0 e 6h a 60°C. Os resultados apontam que o aumento do teor de cal gerou ganhos de resistência para as maiores temperaturas de cura; a diminuição da porosidade proporcionou um ganho de resistência para todas as combinações; o aumento da temperatura foi importante no ganho de resistência entre 23oC e 40oC; a moagem da cinza por 2h promoveu ganhos significativos de resistência em relação à não moída, porém, para 6h de moagem os ganhos não foram significativos para as temperaturas de cura de 23oC e 60oC. A relação η/LV, ajustada por um expoente [η/(Lv)0,07], mostrou-se adequada na formulação de equações na previsão da resistência do material cimentado para todas as temperaturas e tempos de moagem estudados. Além disso, a existência de relações únicas e distintas no controle da resistência à compressão simples em função da porosidade, teor volumétrico de cal, temperatura de cura e tempo de moagem, mostraram-se úteis para formulações de dosagem. Os resultados foram submetidos à análise de variância que comprovou que todos os fatores controláveis escolhidos para o experimento são significativos, assim como todas suas interações. / The use of industry by-products as alternative materials in Engineering has been a recurring topic of research in development of new materials, mainly, due to a larger public conscience regarding the environmental impact of industrial production of waste. Aiming to contribute on this discussion, this research sought to introduce two by-products (fly ash and carbide lime), produced on the metropolitan area of Porto Alegre, as an alternative Engineering solution. Analyzing the microstructure of the fly ash, it is observed that it is composed by void spheres and plerospheres (void spheres filed with smaller ones). Having that in mind, it was studied the admix strength gain promoted by the grinding of de fly ash on a ceramic ball mill, aiming an enhancement of the reactivity of the material. In order to enable the use of these byproducts, it is necessary the study of its mechanical behavior due to the cementation provided by the mixture and compaction of these materials. The current research seeks to provide subsides in order to determine its behavior, through the use of the ratio porosity (η)/ volumetric lime content (LV), obtained from the identification and quantification of the most important variables on the control of the strength of the admixes of both by-products, with or without the process of fly ash grinding. This means, the formulation of equations for the simple compressive strength forecast of the cemented material for the fly ash with different grinding times and accelerated curing temperature. In order to do so, it were realized simple compression tests with 5, 10 and 15% of lime, with a specific dry unit weight of 11, 12 and 13 kN/m3, cured for 7 days, with water content of 18% for the grinding times of 0, 2 and 6h to the curing temperatures of 23 and 40oC, and 0 and 6h to 60oC. The results show that, the increase of lime content provided strength gains for the higher temperatures; the decrease of porosity generated strength gain to all the combinations; the increase in curing temperature was important on the strength gain between 23oC and 40oC; the grinding of fly ash for 2h promoted significant strength gains when compared to the not ground samples, however, for 6h of grinding the strength gain wasn’t significant for the 23oC and 60oC curing temperatures. The η/LV ratio, adjusted by an exponent [η/(LV)0,07], presented itself adequate for the formulation of the equations for the forecast of the strength gain of the cemented material to all the studied temperatures and grinding times. Besides that, the existence of unique and distinct relationships on the control of the simple compression strength depending on the porosity, volumetric lime content, curing temperature and grinding time, have been shown useful for the dosage formulation. The results were submitted to variance analysis, which demonstrated that all the factors chosen on the experiment were significant, as all their interactions.

Os materiais bioativos são materiais sintéticos que possuem superfícies ativas em que os minerais presentes em tecidos duros podem se ligar quimicamente. Há alguns estudos em Odontologia, onde partículas desses materiais foram incorporadas aos Cimentos de Ionômero de Vidro (CIVs) e Cimentos de Ionômero de Vidro modificados por resina (CIVMRs) com o objetivo de se obter bioatividade, e conseqüente remineralização dentária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os efeitos da incorporação de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa nas propriedades de resistência à compressão e rugosidade de CIVMRs. Fuji II LC e Vitremer foram considerados os grupos controles. Materiais experimentais foram feitos através da incorporação de 2, 5 e 10% em peso de Biosilicato nestes CIVMRs. Seis corpos-de-prova de cada material foram confeccionados para o teste de resistência à compressão, que foi realizado em máquina de ensaios universal (Emic), a uma velocidade de 1,0 mm/min, depois de mantidos por 24 horas em água destilada a 37°C. Para análise da rugosidade, foram confeccionados dois corpos-de-prova de cada material, armazenados em água destilada por sete dias, para terem suas superfícies analisadas por meio de Microscopia de Força Atômica. Os dados da resistência à compressão e rugosidade foram submetidos à análise estatística por meio da Análise de Variância (ANOVA) a dois critérios e para comparações múltiplas foi aplicado o teste de Tukey, com nível de significância de 5%. Apenas os cimentos com 2% de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa obtiveram resistência à compressão semelhante ao grupo controle, as demais concentrações contribuíram para a diminuição dessa resistência. A incorporação de 5% de nanopartículas de vitrocerâmica bioativa aumentou a rugosidade superficial dos CIVMRs estudados. / Bioactive materials are synthetic materials that have active surfaces that are capable to chemically bond to dental structures. There are some studies where particles of these materials were incorporated in Glass-ionomer cements (GIC) and Resin-modified glass-ionomer cements (RMGIC) trying to achieve bioactivity and dental remineralization. The aim of this study was to evaluate the effects of the incorporation of bioactive glass-ceramics nanoparticles on the compressive strength and roughness of RMGIC. Fuji II LC and Vitremer were considered the control groups. Experimental materials were made adding 2, 5 and 10% (weight) of Biosilicate into these RMGIC. Six specimens of each material were made to be tested on compressive strength performed with a universal testing machine (Emic) at a crosshead speed of 1.0 mm / min, after they were stored in distilled water for 24 hour at 37°C. To roughness analysis, two specimens of each material were made and stored in distilled water for 7 days and their surfaces were analyzed with a Atomic Force Microscope. Data of compressive strength and roughness were statistically analyzed by ANOVA and Tukey test for multiple comparisons. Only the RMGICs with 2% of bioactive glass-ceramic nanoparticles obtained compressive strength similar to the control RMGICs, the other concentrations decreased their compressive strength values. The incorporation of 5% of bioactive glass-ceramic nanoparticles increased the roughness of the RMGICs.

El número de rebote es el valor resultante del ensayo de dureza superficial, que consiste en determinar el nivel de compacidad de las partículas del concreto. Esta característica lleva relación directa con el desarrollo de la resistencia a compresión, denominada f’c; ya que mientras más compactas se encuentren las partículas del concreto, mayor será la resistencia mecánica y mayor el valor del número de rebote. La relación de estos ensayos ha sido materia de estudio desde hace muchos años y se ha determinado valores altos de correlación, aunque sin cuantificar la influencia de parámetros adicionales que no resultan ajenos al ensayo de esclerometría. En la presente investigación se analizan los principales factores que afectan al valor de dureza superficial e influyen en la determinación de la resistencia mecánica del concreto. Los factores estudiados son la relación agua – cemento, condición de humedad, edad del concreto y tamaño máximo de agregado. Estos factores son analizados en muestras de concreto normalizadas (probetas diseñadas según norma de calidad vigente) y los resultados obtenidos procesados estadísticamente bajo la metodología de Red Neuronal Artificial (RNA), con el que se podrá predecir resultados de resistencia a compresión una vez determinados los factores antes mencionados. Los resultados demuestran que puede predecirse el resultado de resistencia a la compresión con margen de error aceptable y que considerar los factores de influencia en la predicción genera mayor exactitud en los resultados y reducción en el índice de correlación de Pearson estudiado entre los ensayos de dureza superficial y resistencia a compresión. / The rebound number index is a result value of surface hardness´s test. This method is based on obtain concrete particular’s level. This characteristic has a direct relationship with the development of compressive strength, called f’c. So, if concrete particulars are more compact, it will increase mechanic strength and rebound number index´s value. The relationships between these tests have been studied over the years and it has been estimated high values of correlation, although without quantifying the influence of additional parameters that are not indifferent to the sclerometer test. In this research are analyzed the principal factors which affect surface hardness´s value and influent in the determination of mechanic strength of concrete. The factors studied are the water-cement ratio, humidity condition, age of concrete and maximum size of aggregate. These factors are analyzed in standardized concrete samples and the results obtained were processed statistically by artificial neuronal network’s methodology (RNA), this tool will predict results of compressive strength when other factors, which were explained, have been determinate. The results of this research show that the result of resistance to compression can be predicted with acceptable margin of error and that considering the influence factors in the prediction generates better accuracy in the results and reduction in the Pearson correlation index studied between the test of surface hardness and compressive strength. / Tesis

The role of surface chemical effects in hydraulic fracturing of shale is studied using the results of unconfined compression tests and Brazilian tests on Mancos shale- cored at depths of 20-60 ft. The rock mineralogy, total organic carbon and cation exchange capacity were determined in order to characterize the shale. Adsorption tests to study the interaction of the shale and aqueous fluid mixture were also carried out using surface tension measurements. The uniaxial compressive strengths and tensile strengths of individual shale samples after four hours exposure to water, 2.85 x 10^-3 M cationic surfactant (dodecyltrimethylammonium bromide-DTAB) and 2.81 x 10^-3 M anionic surfactant (sodium dodecylbenzenesulfonate-SDBS) were analyzed using ANOVA and Bonferroni tests. These mechanical strengths were largely reduced on exposure to the aqueous environments studied, despite the relatively low clay and low swelling clay content of the Mancos shale. Further comparison of the uniaxial compressive strengths and tensile strengths of the shale on exposure to water, to the strengths when exposed to the surfactant solutions showed that their difference was not statistically significant indicating that exposure to water had the greatest effect on strength loss. The surface tension measurement of 2.85 x 10^-4 M DTAB and 2.81 x 10^-4 M SDBS solutions before and after equilibration with shale showed about 80% increase in surface tension in the DTAB solution and 10% increase in surface tension in the SDBS solution. The probable sorption mechanism is electrostatic attraction with negatively charged sites of the shale as shown by significant loss of the cationic surfactant (DTAB) to the shale surface, and the relatively minor adsorption capacity of the anionic surfactant (SDBS). Although these adsorption tests indicate interaction between the shale and surfactant solutions, within the number of tests carried out and the surfactant concentration used, the interaction does not translate into a significant statistical difference for impacts of surfactants on mechanical strength of this shale compared to the impact of water alone. The relevance of this work is to facilitate the understanding of how the strength of rock can be reduced by the composition of hydraulic fracturing fluids, to achieve improved fracture performance and higher recovery of natural gas from shale reservoirs.

This thesis presents the results of an investigation of factors which influence the geotechnical properties of frozen mine backfill (FMB). FMB has extensive application potential for mining in permafrost areas. The uniaxial compressive strength (UCS) of hardened backfill is often used to evaluate mine backfill stability. However, the deformation behaviour and stiffness of the FMB are also key design properties of interest. In this thesis, uniaxial compressive tests were conducted on FTB and FCPB samples. Information about the geotechnical properties of FMB is obtained. The effects of FMB mix components and vertical compression pressure on the geotechnical properties of FMB are discussed and summarized. An optimum total water content of 25%-35% is found in which the strength and the modulus of elasticity of the FTB are 1.4-3.2 MPa and 35-58 MPa, respectively. It is observed that a small amount (3-6%) of cement can significantly change the geotechnical properties of FTB.

Microtruss cellular materials have large internal surface areas and small cross-sectional strut dimensions, permitting surface modification to substantially enhance their mechanical performance. For instance, a ~400% increase in compressive strength with virtually no weight penalty can be induced by a hard anodized Al2O3 ceramic coating of only ~50 µm thickness. The present study seeks the optimal architecture of these composites by exploring three research challenges: architecture and degree of forming are interdependent due to stretch-forming, architecture and the material properties are interdependent due to work-hardening, and ceramic structural coatings add design complexity. Theoretical predictions and architectural optimizations demonstrated a potential weight reduction of ~3% to ~60% through the increase of internal truss angle for both annealed and work-hardened microtruss cores. While further validation is needed, experimental evidence in this study suggested the collapse in ceramic-aluminum microtruss composites could be considered as a mixture of composite strut global buckling and oxide local shell buckling mechanisms.