Nanotecnologia Aplicada a Materiais da Construção Civil Matrizes Cimentícias

Nanotechnology Applied to Civil Construction Materials Cementitious Matrices

REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10223450

---

Ana Luiza Soares,
Camila de Abreu Candian
Letícia Teixeira Wruck
Orientador: Luciana Bertolla Andrade
Orientador: Sandro Martini

---

Resumo: O aumento de demanda na construção civil gera um empasse, como criar estruturas ecologicamente corretas, com um consumo inteligente de materiais, que maximizam e aproveitam espaço trazendo conforto e qualidade de vida sem abrir mão do design arquitetônico e da durabilidade e qualidade das edificações? 

A resposta dessa pergunta está em estruturas muito pequenas, até então pouco exploradas. 

A nanotecnologia, visa através do emprego de nanopartículas e nanoestruturas, renovar o mercado da construção, com o emprego dos nanomateriais em matrizes cimentícias esperamos melhorar a qualidade das estruturas, aumentando a sua resistência e durabilidade e diminuindo, consequentemente a necessidade de manutenção.

A incorporação de materiais como o óxido de grafeno e a nanosílica em matrizes cimentícias tem como objetivo melhorar o desempenho das estruturas, agregando maior resistência mecânica diminuindo o consumo de cimento, material que é responsável por 5% das emissões de gases poluentes. Ao longo da pesquisa serão investigados a viabilidade desses nanoreforços, através de analises e pesquisas. Com enfoque na transmissão de informações.

Palavras-chave: Matrizes Cimentícias, Cimento, Nanotecnologia, Óxido de Grafeno e Nananosílica.

Abstract: The increase in demand in civil construction generates a impasse, how to create ecologically correct structures, with an intelligent consumption of materials, which maximize and make use of space, bringing comfort and quality of life without compromising on architectural design and the durability and quality of buildings ? 

The answer to this question lies in very small structures, which have so far been little explored.

Nanotechnology, through the use of nanoparticles and nanostructures, aims to renew the construction market. With the use of nanomaterials in cement matrices, we hope to improve the quality of structures, increasing their resistance and durability and consequently reducing the need for maintenance.

The incorporation of materials such as graphene oxide and nanosilica in cementitious matrices aims to improve the performance of structures, adding greater mechanical resistance, reducing the consumption of cement, a material that is responsible for 5% of polluting gas emissions. Throughout the research, the viability of these nanoreinforcements will be investigated, through analysis and research. Focusing on the transmission of information.

Keywords: Cementitious Matrices, Cement, Nanotechnology, Graphene Oxide and Nananosilica.

1 Introdução

A nanotecnologia expande os horizontes e os limites de criação. Atualmente seu emprego é desde a nanociência, com a criação de novos medicamentos e tratamentos, indústria de bens duráveis e eletrônicos (como roupas impermeáveis, celulares com antirreflexo, óculos de sol com resistência a raios ultravioletas), entre muitos outros que compõem o nosso dia a dia.

Seu princípio é estudar a manipulação da matéria em sua escala atômica e molecular, desenvolvendo novos materiais e/ou aprimorando as propriedades dos já existentes. Esse termo se popularizou no mundo científico por volta dos anos 80 com o engenheiro Kim Eric Drexler, que propôs a ideia de que um dia máquinas conseguiram manipular os átomos.

Na engenharia, sua aplicação é feita através de nanomateriais. Tal prática, reduz custos, previnem possíveis falhas e garantem maior resistência. Outro ponto a ser considerado é a sustentabilidade, a utilização de nanomateriais como o grafeno, geram uma significativa redução na emissão de gases poluidores.

Batiston (2007), ressalta que a incorporação de nanomateriais por si só não é suficiente para que se controlem todas as características de um material, deve-se prosseguir na investigação de como as estruturas se comportam na presença de tais materiais e de como estas características podem ser manipuladas através dessas adições.

Os nanomateriais, na construção civil, tem sua aplicação considerada revolucionária, afinal essa inovação alia o aumento de resistência característica a diminuição do consumo de cimento sem alterar de forma drástica as características da matriz cimentícia.

Ao integrar o óxido de grafeno ou a nanosílica a ao concreto, asfalto ou revestimentos, criamos a previsão de um material significativamente mais durável e resistente. Sua adição em pequenas quantidades, agrega, no fortalecimento da estrutura, reduzindo seu índice de permeabilidades e aumentando sua capacidade de suportar tensões, tornando os materiais mais resistentes, menos propensos a formação de rachaduras, ao desgaste e a corrosão. 

Ainda que muitas ideias estejam no papel, a nanotecnologia se torna cada vez mais presente. Na construção civil sua implementação é feita de forma gradual, mas constante, possibilitando a criação de superestruturas resistentes, autorreparáveis e com uma boa estética.

O investimento nessa área, por mais que “pequeno”, já agrega de forma extremamente positiva no mercado. Estruturas compostas de nanomateriais que antes só eram encontradas em laboratórios e centros de pesquisa, hoje já tomam as ruas em alguns países na Europa e Estados Unidos. Seu emprego, atualmente, sem mantem em elementos não estruturais, em peças arquitetônicas artistas, como esculturas, mas já mostram a sociedades sua grande capacidade de autoreparação e resistência, sem alteração de suas características estéticas.

Os limites da criação foram expandidos, as possibilidades se tornam cada vez mais infinitas, o emprego de nanomateriais e nanopartículas torna o futuro da engenharia cada vez mais próximo e palpável.

Diversos estudiosos vêm desenvolvendo pesquisas com resultados promissores ao longo dos últimos 20 anos, a criação de estudos e trabalhos com esse tema vem se tornando cada vez mais popular no mundo acadêmico e científico, mas cabe a iniciativa privada e governamental permitir que a nanotecnologia sai das paredes dos laboratórios e universidades e alcance a indústria da construção civil. A tecnologia é segura e benéfica em vários aspectos, ficando cargo dessas iniciativas colocarem-na em prática.

A tecnologia “nano” é real e está a nossa disposição, cabe a nós aproveitarmos essa chance e fazer ele acontecer. 

“A melhor forma de prever o futuro é criá-lo” (DRUCKER, Peter Ferdinand).

1.1 Justificativa

A base dessa tecnologia está na escala do nanômetro (nm), uma grandeza física reconhecida pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), que corresponde a um bilionésimo de 1 metro, ou seja, 1×10⁻⁹ m. O acréscimo da nanotecnologia está ligado, portanto, a alterações nanométricas, interferindo diretamente na estrutura atômica e molecular. Sendo seu principal objetivo controlar individualmente os átomos, elaborando assim estruturas estáveis e com propriedades específicas.

Um dos ramos de aplicação de nanotecnologia na engenharia, é com os nanomateriais. Estes apresentam propriedades, processabilidades e capacidades distintas, agregando de forma positiva ao produto final. A introdução dessa tecnologia nos materiais da construção civil, nos permite aprimorá-los, moldando assim suas propriedades. 

A baixa resistência a tração nas matrizes cimentícias já é um problema antigo e já conhecido por muitos estudiosos da área. Com a ação das forças de tração as microfissuras já formadas durante o período de hidratação do cimento se expandem, conforme ilustrado na Figura 1, e se tornam cada vez mais prejudiciais a peça, estando relacionadas diretamente a perda de resistência e de impermeabilidade da estrutura. 

Figura 1: Exemplificação da Formação de Fissuras em uma Peça Concretada

Fonte: ALMEIDA, 2002

Como ilustrado na Figura 1, quando a peça concretada, nesse exemplo uma viga, recebe a ação de cargas de compressão em sua face superior, tem como resposta a (assimilando a 3° Lei de Newton – Ação e Reação), a reação de força de tração na direção oposta, causando a expansão e formação de novas fissuras na peça, principalmente na fase inferior da viga. 

A armadura tem como principal função conter esse efeito, mas na maioria dos casos as microfissuras, já formadas anteriormente se expandem em pequenas proporções. Ao se adicionar mais esforços e cargas a peças essas microscópicas fissuras crescem, passando a ser consideradas macroscópicas, se tornando um risco a integridade da estrutura. Esse fenômeno é lento e muitas vezes invisível, solucionável, geralmente através de manutenção e reparação das fissuras com massa de reforço.

Com aplicação dos nanomateriais nas pastas cimentícias, diminuímos o índice de formação dessas pequenas fissuras, isto reduz riscos futuros, como a formação de fissuras maiores que afetam diretamente a estrutura da peça. Outro ponto a ser levantado é a economia em manutenção, afinal as mesmas se farão necessárias cada vez menos e de forma espaçada. Com a preservação da estrutura, que necessita de manutenção de mão de obra especializada, os gastos também serão reduzidos

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

O principal objetivo desse Artigo de Conclusão de Curso é através de sintetização e analise outros artigos e trabalhos sobre o tema, verificar a viabilidade da aplicação de dois nanomaterias a composição das matrizes cimentícias, óxido de grafeno e nanosílica, a fim de agregar propriedades vantajosas as peças, como aumento de resistência, impermeabilidade, melhora na necessidade de manutenção.

1.2.2 Objetivo Específico

Um dos pontos a serem discutidos é a sua relação da nanotecnologia com o meio ambiente, como os nanomateriais interagem como ele. Os nanocomponentes agregam de uma forma positiva a redução de emissão de gases poluentes, afinal reduzem o consumo de cimento, considerado um dos maiores geradores de CO₂ do planeta.

Outro ponto a ser levantado nesse artigo a necessidade de investimento nessa área. Não é de hoje que os investimentos na área cientificam no Brasil, em particular, são escassos isso somado a falta de inciativa e incentivo constroem cada vez barreiras maiores. É fundamental que setor privado e público, em parceria, forneçam as ferramentas, para que jovens pesquisadores possam se aprofundar no assunto.

2 Cimento Portland

Considerado um dos mais importantes materiais na indústria da construção civil, o Cimento Portland, como foi batizado, é um material antigo, usado pelos egípcios a cerca de 4.500 anos, que foi redescoberto recentemente e vem aprimorando e complexando cada vez mais as estruturas.

O seu uso se tornou intensivo e popular a partir do século XX, mas a verdade é que sua “descoberta” se deu no fim do século XIX, quando o engenheiro John Smeaton, através da calcinação de calcários moles e argilas, adquiriu um material de alta resistência e trabalhabilidade. Devido a grandiosidade de sua descoberta, patenteada em 1756 com o nome de Cimento Portland, Smeaton passou a ser considerado por muitos o pai da engenharia civil.

Seu nome se originou da semelhança de sua durabilidade e rigidez com as pedras da ilha de Portland. Ao longo dos anos grandes potências, como os Estados Unidos, vem investindo no estudo e no aprimoramento deste material, atingindo cada vez padrões mais altos de qualidade. Se entende, que o investimento nesse tipo de pesquisa, é uma vantagem econômica e estratégica, visto que este interfere diretamente na qualidade de vida da sociedade.

No livro Materiais da Construção Civil e Princípios da Ciência e Engenharia Mecânica (2017), os autores Paulo Helene e Tibério Andrade ressaltam que o Cimento Portland é um material extremamente importância para a economia da construção civil, por ser considerado um material versátil e de alta trabalhabilidade, o Cimento Portland, ajuda na escrita na história da arquitetura. 

Em termos de composição, o conhecido popularmente como, cimento é o resultado de uma mistura de calcário (material com alto teor de cálcio), argila e componentes químicos, que após passarem por um processo de polimerização da matriz se aglomera e dá as principais propriedades ao material.

Descrevendo de forma geral a fabricação do cimento, divide-se em 8 etapas, ilustrado na Figura 2: 

1. Extração da matéria prima (calcário, argila e gipsita);
2. Britagem;
3. Moagem da mistura crua;
4. Homogeneização da mistura crua;
5. Dosagem;
6. Moagem do clínquer;
7. Adição final (Acresção de matérias componentes como, gesso, calcário, escória pozolana);
8. Moagem final.

Figura 2: Ilustração do Procedimento de Fabricação do Cimento Portland

Fonte: FARENZENA, 1995

No mercado, existem diferentes tipos de cimento, cada um com sua nomenclatura, conforme a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), suas diferenças estão relacionadas as propriedades de resistência, impermeabilidade, trabalhabilidade e durabilidade. 

Cada um dos 11 tipos, tem suas adições e características específicas, sendo assim sua aplicação também é específica, sendo necessário que o responsável pela obra saiba identificar suas finalidades.

O Cimento Portland é encontrado nos seguintes tipos e nomeclaturas:

• Cimento CP-I ou Cimento Portland Comum;
• Cimento CP-II ou Cimento Portland Composto; o CP-II E – Adição de escória de alto-forno;  o CP-II Z – Adição de material pozolânico;  o CP-II F – Adição de material carbonático;
• Cimento CP-III ou Cimento Portland de Alto-forno;
• Cimento CP-IV ou Cimento Portland Pozolâmico;
• Cimento CP-V ARI ou Alta Resistência Inicial;
• Cimento RS – Ideal para construções de redes de esgoto;

        •     Cimento Branco  ou CPB;

• Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação (BC): Este tipo de cimento possui a finalidade de atrasar a perda de calor durante o processo de hidratação, esta perda está associada ao aparecimento de microfissuras. Usualmente aplicada em peças estruturais de grandes dimensões.

Cabe ressaltar que a disponibilidade dos diferentes tipos de cimento varia com a disponibilidade de matéria prima.

A pasta de cimento, como material poroso, é permeável, tanto ao ar quanto a água. Isto ocorre por conta de a quantidade de água influenciar diretamente no volume de vazios, esses poros formados na pasta de cimento levam a redução da resistência mecânica e a deterioração. A Figura 3 mostra a relação do aumento da razão água/cimento à sua resistência a compressão, na tabela são levados em conta massas de diferentes idades, tempos de cura, dentre os períodos destacados abaixo.

Figura 3: Efeito da reação cimento-água e do grau de hidratação do cimento na resistência à compressão

do concreto (3, 7 e 28 dias)

Fonte: MEHTA, 2014

Os produtos à base de cimento são resistentes à compressão, mas apresentam baixa resistência a tração. Muitos cientistas pesquisam formas e métodos para melhorar e aprimorar as propriedades desse material que é o primeiro, quando se pensa em construção civil, principalmente no Brasil. 

Aço, fibras, entre outros, são adicionados ao material cimentício, com o intuito de aumentar sua resistência mecânica, mas essas adições nem sempre geram um aumento significativo na propriedade. Isso ocorre devido a alguns fatores: 

• O mal adensamento do material cimentício, pois afeta o volume de vazios; (NEVILLE, et. al, 1997) 
• Elevada relação água/cimento, que prejudica a porosidade da pasta após seu endurecimento. (NEVILLE, et. al, 1997)

2.1 Hidratação do Cimento Portland

O conceito de hidratação está ligado a adição de água a uma mistura, e esse é o grande objetivo que se deseja alcançar ao hidratar, inserir água em uma molécula. De acordo com Taylor (1997), para isso acontecer uma reação química com água convertendo-se em hidrato.

Juntando esse fenômeno a química do cimento, refere-se ao um conjunto de mudanças, como o endurecimento, ganho de resistência e perda de fluidez, estas transformações ocorrem à medida que o tempo avança. Os primeiros 28 dias são os determinantes para que o produto final tenha a qualidade e resistência desejada, afinal nesse período a cura já garante cerca de 70% a 80% do grau de hidratação da mistura. (TAYLOR, et al. 1997).

O início da pega se dá quando o cimento começa a reagir com a água, esse processo ocorre através de uma reação química exotérmica, onde ocorre liberação de energia em forma de calor, devido ao aumento de temperatura a água se retrai rapidamente, isso causa o surgimento de pequenas fissuras e trincas que futuramente afetarão a resistência mecânica da peça estrutural. Para evitar essa desidratação a pasta cimentícia deve passar por um processo de cura.

A cura é caracterizada pelo controle de umidade, nela o irrigamento ou a imersão da superfície em água garante que o processo de endurecimento ocorra sem empecilhos, conforme ilustrado na Figura 4. A cura está relacionada diretamente a temperatura, umidade do ar e os ventos, afinal em um dia com temperatura elevada a necessidade de repor a água se dá em pequenos intervalos. Na maioria dos casos esse processo ocorre três vezes ao dia, de manhã, por volta das 8h, tarde 12h e 15h.

Figura 4: Processo de Cura de uma Laje

Fonte: REGANATI, 2019

Diamond (1981), ressalta que durante o período de hidratação e cura o índice de sulfato de cálcio influência no processo de pega, consequentemente retardando o endurecimento da pata de cimento.

Nesse estágio, o endurecimento ou densificação da pasta é consequência da alteração do sistema de núcleos aglomerados em suspensão concentrada, evoluindo para uma solida estrutura viscoelástica. Esse solido é capas de resistir a tensões aplicadas em intervalos curtos de tempo sem sofrer deformações significativas.

O ganho de resistência mecânica está vinculado diretamente ao processo de hidratação do cimento. A reação dos silicatos tricálcico (C₃S) e bicálcico (C₂S), com a água forma o cálcio ou portlandita [(Ca (OH)₂] ², essa após saturada cristaliza e dá início a formação de silicatos de cálcio (C-S-H) ³, este reage de forma exotérmica, liberando calor. Após a conclusão da reação tem-se um composto C₃S₂H₃. 

Atualmente muito se estuda sobre o assunto, afinal essa reação tem um grau alto de complexidade e deve ser manipulada com cuidado, sendo assim “A Hidratação do Cimento Portland” se torna tema recorrente nos Congressos Internacionais de Química do Cimento, este evento periódico teve seu início em 1918 sendo referência para muitas pesquisas estudos.

Conforme apresentado pelo Doutor em Engenharia Valdecir Ângelo Quarcioni (2008), após o contato da água com o cimento, ocorre a interação de espécies iônica entre os componentes sólidos e líquidos. O processo de hidratação do cimento pode ser divido em 5 etapas, conforme a Figura 5:  I. Fase inicial;

1. Fase de indução;
2. Aceleração;
3. Desaceleração; V.   Estágio final.

Figura 5:  Representação esquemática da liberação de calor (A) e a concentração de Ca₂+ em solução (B) durante a hidratação do Cimento Portland.

Fonte: QUARCIONI, 2008

1. Fase Inicial ou Pré-indução: o pico inicial se dá pelo resultado da combinação exotérmica que se dá pela umidade das partículas e as reações iniciais de dissolução dos sulfatos alcalinos, resultando assim na liberação de íons K+, Na + e SO₄^2-. Durante essa fase ocorre a dissolução do sulfato de cálcio até atingir a saturação, levando à liberação de íons Ca₂ + SO4^2-.

Atingindo esse ponto as fases anidras C₃S, C₃A E C₄AF começam a dissolver, surgindo assim uma capa de gel de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) na superfície dos grãos anidros do clínquer. Os íons que reagem com os íons Ca₂ +SO4^2- são os liberados durante a dissolução do C₃A e do C₄AF, essa reação cria um gel amorfo rico em aluminato localizado na superfície dos grãos do clinquer, além da formação de agulhas de etringita com características grossas e pequenas 

1. Fase de Indução: esse estágio é marcado pela formação da camada de gel que ficam sobre os grãos anidros de cimento, esse gel é originado pela precipitação inicial da etringita e, em menor escala, do C-S-H, esse gel amorfo e coloidal é enriquecido com sílica e alumínio, contendo íons cálcio e sulfato, ele estabelece um obstáculo entre as fases anidras e a solução aquosa. Isso resulta no aumento nas concentrações de íons Ca²⁺, K⁺, Na⁺, SO₄^2- e OH^– na solução. A concentração de íons cálcio no estado líquido atinge um ponto de saturação, iniciando então um declínio

Essa fase também é conhecida como dormência, isso por que tem uma duração de aproximadamente 30minutos a 3 horas e só é finalizado quando a camada do gel dobre os grãos é destruída ou torna-se mais permeável a difusão iônica. 

Essa etapa também se caracteriza pela diminuída taxa de evolução de calor. isso se dá, pois, as concentrações de íons Ca²⁺ e OH- continuam a aumentar, mas de maneira não linear. Uma supersaturação em relação ao Ca (OH)² é nitidamente notada até atingir um ponto de equilíbrio que desencadeia a precipitação. O intervalo necessário para alcança essa supersaturação depende da ligação entre a água, cimento e do tamanho do cristal de C3S. (JAWED, et. al 1983)

1. Fase de Aceleração: nesta fazer o mecanismo da dissolução e precipitação prevalecem resultando em uma supersaturação iônica na fase aquosa e na formação rápida de C-S-H.  Os principais produtos que são gerados caracterizam a reação do estágio (III), o C-S-H e o CH[Ca(OH)₂] provocam um declínio gradual na  concentração  de íons Ca²⁺ na solução. Este estágio faz com que finalize o surgimento do segundo pico na curva, iniciando a desaceleração na geração do calor pelo sistema.

O fenômeno conhecido como “pega” ocorre quando os silicatos especialmente a alita (C₃S) começam a se hidratar rapidamente, atingindo a máxima de hidratação no final desse período de aceleração, correspondente ao máximo de calor liberado. Junto com essa fase ocorre a precipitação da etringita, onde a taxa de hidratação é definida pela criação do C-S-H que durante o período de aceleração a velocidade e a extensão da hidratação são influenciadas pela área do clínquer.

1. Fase de Desaceleração: conforme estudado, por conta da diminuição progressiva na concentração de íons em solução inicia-se com uma redução gradual na taxa de calor. Esse decréscimo é causado pela precipitação dos hidratados que revestem as partículas do cimento dificultando a solubilização das fases anidras. Após 24h as reações lentas persistem criando o C-S-H e CH a partir daí o modo de reação passa a ser comandado pela difusão iônica ou pela reação topoquímico. Geralmente acima de 12% dos cimentos que contêm C₃A apresentam um “ombro” específico na curva de calor de hidratação por conta de uma formação de crescimento continuo de cristais aciculares de estringita.

• Estágio Final: No último estágio é formado um novo “ombro” subsequente menos distintivo que o anterior, porém relacionado com a hidratação da fase ferrita ou com a mudança da fase AFt para AFm. A formação das placas hexagonais finais de monossulfoaluminio de cálcio (fase AFm) resulta na reação do trissulfoaluminato de cálcio (fase AFt) com o C₃A e o C₄AF isso ocorre devido à falta de sulfato de cálcio no sistema. 

Os espaços que foram inicialmente ocupados pelo excesso de água na mistura são gradualmente preenchidos à medida que os produtos de hidratação vão aumentando causando assim a densificação da pasta.

3 Matrizes Cimentícias

As Matrizes Cimentícias têm em sua composição aglomerantes de origem mineral, podendo-se destacar em sua composição os agregados graúdos ou miúdos, como britas ou areias, sendo as principais encontradas no mercado em pastas, argamassas ou concretos. Na atualidade, matrizes a base de Cimento Portland são amplamente aplicadas no mercado, e em menor escala, o gesso e a cal. 

Uma das grandes vantagens do emprego dessas estruturas é o alto índice de resistência a compressão e sua característica de endurecimento rápido, transformando-a em uma peça rígida e de emprego abrangente, podendo ser encontrada tanto na parte estrutural, de vedação e de acabamentos. 

Em contrapartida deste material tão versátil temos a baixa resistência a tração e a formação de microfissuras, que só podem ser vistas através de aparelhos específicos, que acarretam a perda gradual de resistência. Esse fenômeno se dá através do processo de enrijecimento (pega). 

Após o processo de hidratação ocorre o início da pega, isto é, a perda de fluídos da pasta ao se adicionar água (detalhado também no item 2.1. “Hidratação do Cimento Portland”). Depois de certo período, iniciam-se algumas reações químicas de hidratação que resultam na formação de compostos. Esse processo leva a perda progressiva de fluidez da pasta, gerando a transição de um estado deformável para o estado rígido. 

Neste período é iniciado a solidificação da pasta sendo contada a partir do momento de contato com a água, onde se inicia as reações químicas do composto aglomerante. Este fenômeno é caracterizado pelo aumento significativo da viscosidade e pelo aumento da temperatura. Sua conclusão, ocorre quando o produto se solidifica totalmente, esse período normalmente tem uma duração média de 5 a 10 horas (de acordo com a ABNT NBR 16607/2018 – Cimento Portland — Determinação dos tempos de pega).

Como uma forma de solucionar essa desvantagem temos novas tecnologias, que nos possibilitam o emprego de microestruturas e até nanomateriais, estes agem positivamente na matriz reduzindo a formação de microfissuras e consequentemente a baixa resistência a tração das mesmas. Como alternativa temos o emprego de nanosilica e óxido de grafeno, abordados neste estudo. Estes ainda estão na fase de testes, mas prometem ser ideias promissoras, se empregadas corretamente.

A construção civil vem, ao longo dos últimos anos, crescendo desenfreadamente se tornando cada vez mais frequente e importante no nosso cotidiano, sendo o setor um dos mais influentes quando nos referimos a questões sociais e econômicas. Uma prova viva disso seria que a indústria da construção iniciou 2021 com expectativa de crescer 4% ao ano e este valor corresponde a sua maior alta desde 2013 (estimativa da Agência Brasil, publicado em 29/04/2021); sendo assim o momento ideal para início de pesquisas e viabilizando assim o emprego desses nanomateriais até então pouco estudados e utilizados.

4 Nanotecnologia

A cada dia que passa uma onda de novas informações, notícias, produtos e até mesmo novas descoberta é criada. A produção de conteúdo se tornou uma disputa, onde nações que investem na área se elevam a patamares cada vez mais altos. Essa corrida de conhecimento, pode ser chamada de a “Nova Guerra Fria”, afinal, não existe conflito, mas a busca por conhecimento garante a nação soberania sobre as demais.

O avanço da ciência é real e acontece a todo instante, com ela a criação de novas tecnologias e processos se torna constante, é fundamental que a adaptação dos processos seja feita constantemente, sempre visando uma constante inovação e renovação dos processos e produtos.

Atualmente um ramo muito explorado por cientistas é a nanotecnologia, essa tem despertado considerável interesse nos últimos anos. A ideia de manipular os materiais em sua forma molecular abre um leque de possibilidades, até então pouco exploradas. 

A criação de conteúdo científico sobre o assunto cresce cada vez mais, e seu emprego não se limita só a área da construção civil, se expandindo também para outras áreas, como medicina que utiliza da nanotecnologia para manipular seus componentes medicinais criando novas drogas farmacológicas que, após, testes atenderão de forma ampla a população mundial.

As dimensões utilizadas nessa área são extremamente pequenas, o nanômetro (nm) unidade de medida utilizada, corresponde a um bilionésimo de metro. O professor e diretor do Centro de Capacitação de Pesquisas em Meio Ambiente (CEPEMA-USP), Frank Quina, declarou em uma carta a editora SciELO (2004), que as “nanopartículas”, apresentam uma área superficial grande e, normalmente, apresentam propriedades químicas ópticas, magnéticas e mecânicas diferentes de partículas macroscópicas. Essas características tornam as “nanopartículas”, aproveitáveis e essenciais para a nanotecnologia dos materiais. 

Mesmo que citada pela primeira vez em 1974, por Norio Taniguchi a nanotecnologia só ganhou popularidade na comunidade científica em 1985, com a publicação do livro Engines of Creation, do engenheiro, nanotecnólogo e cientista K. E. Drexler, a partir daí diversas pesquisas e descobertas foram feitas sobre o tema.

Considerada uma “nova revolução científica”, a nanotecnologia ganha espaço recebendo investimento privado e estatal. No governo do ex-presidente estadunidense Bill Clinton, em 2000 o valor investido foi superior a U$ 495 milhões. A criação do National Nanotechnology Initiative, também em 2000, tornou essa tecnologia mais visível e popular em diversas áreas do conhecimento.

Os investimentos dos Estados Unidos nesse campo provocaram uma resposta da Comunidade Europeia e do Japão e posteriormente de outras nações, que resultou na montagem de diversos programas nacionais ambiciosos. Isso foi baseado na aceitação de que a nanotecnologia é de entre importância, atualmente e futuramente, nas indústrias. 

A Tabela 1 mostra a quantidade investida nanotecnologia ao longo de 4 anos.

Tabela 1: Investimentos de P&D em nanotecnologia, entre 2000 e 2003. (Relação de milhões de dólares

por ano)

Região	2000	2001	2002	2003
Europa	200	~225	~400	~600
Japão	245	~425	~700	~810
Estados Unidos	270	422	697	774
Outros	110	~380	~550	~800
Total	625	1.492	2.347	2.984
% de 1997	191%	346%	502%	690%

Fonte: ALVES, 2004

A cada dia que passa, as pesquisas na área da nanotecnologia avançam. As possibilidades são quase infinitas, Hadma Sousa Ferreira e Maria do Carmo Rangel (2009), destacam que a nanotecnologia exercerá um efeito mais profundo, na sociedade do futuro será cada vez mais significativo do que os efeitos por carros, computadores, aviões, televisões ao longo do século XX. 

Estes considerados os objetos que revolucionado a história da sociedade, se equiparam a este material microscópico, que veio para revolucionar, assim como eles, a forma como a humanidade encara e interage com os materiais.

4.1 Nanotecnologia Aplicada a Construção Civil

A nanotecnologia oferece uma perspectiva de grandes avanços que possibilitam um ganho de qualidade de vida, isso se deve ao fato de a tecnologia estar influenciando diretamente em indústrias como, de produção de bens, da informação e até mesmo na área da medicina. O avanço em tratamentos médicos e a criação de novas tecnologias, que facilitam a vida da população, fazem da nanotecnologia tão importante, afinal a busca de conhecimento é embasada por uma necessidade.

Em outro panorama, se encontra a construção civil, considerada um campo tecnológico de extrema importância para o desenvolvimento global. Muito já se avançou nessa área, um exemplo é a criação de novos métodos construtivos materiais e até mesmo técnicas que facilitam e garantem uma melhor qualidade.

Juntando esses dois grandes campos tecnológicos dá-se espaço a criação de infinitas possibilidades. A nanotecnologia se faz presente na construção civil por meio dos nanomateriais, que ao misturados a outros materiais interferem diretamente na estrutura molecular e alteram suas propriedades e características.

Uma grande área a ser explorada pela nanotecnologia, são as matrizes cimentícias, afinal o acréscimo dos nanomateriais como nanotubos, óxido de grafeno, nanosílica entre outros, agrega na prevenção de formação de fissuras e de perda de resistência. Com o uso dessa tecnologia, o controle e a manipulação das matrizes se tornam palpável.

O cimento é de longe um dos materiais mais revolucionários, sua utilização e emprego é feita de forma ampla, possibilitando a criação das mais diversas formas arquitetônicas. Quando iniciado o seu contato com a água o cimento se torna uma pasta com alto índice de trabalhabilidade, após a secagem a peça já endurecida, apresenta propriedades como o alto índice de resistência mecânica à compressão e até mesmo impermeabilidade.

Alguns pontos negativos do emprego do cimento são a sua porosidade e baixa resistência à tração. Durante o período de endurecimento, conhecido como pega, a matriz cimentícia, porosa, se retrai, isso contribui para a formação de microfissuras que ao longo do tempo tem suas dimensões ampliadas, acarretando perda de resistência e até mesmo em alguns casos mais extremos, condenação da estrutura.

Com a introdução dos nanomateriais nesta área consegue-se manipular as diversas interações químicas que se fazem presentes durante o seu processo de endurecimento, prevenindo assim a formação destas microfissuras. 

Outra vantagem do emprego dos nanomateriais é a preservação ambiental. Durante o processo de produção e endurecimento do cimento uma grande quantidade de gás carbônico é liberada, este gás poluente está relacionado há problemas prejudiciais a camada de ozônio. Com o emprego dos nanomateriais a liberação de gases se torna reduzida e menos nociva.

A Figura 6 representa um gráfico com uma analogia entre os materiais da construção civil que mais emitem dióxido de carbono, gás nocivo ao meio ambiente.

Figura 6: Relação entre Emissão de Dióxido de Carbono no Processo de Produção/Extração e Transporte dos Materiais

Fonte: SANTORO e KRIPKA, 2015

De acordo com o gráfico o maior responsável pela emissão desse gás poluente é o cimento, que durante o seu processo de produção emite 88,46%, em segundo lugar vem o agregado graúdo, conhecido como brita, que emite 87,36% de gases nocivos.

4.2 Nanomateriais – Propriedades Mecânicas

Como ressaltado na pesquisa de pós-graduação de Roberto Munhoz Bueno as características que são estudas em despertam interesse, quando associamos matrizes cimentícias a nanomateriais são suas propriedades em estado endurecido, solido.

Sendo assim, podemos destacar, que as principais propriedades adquiridas quando empregado nanomateriais (nanosílica e óxido de grafeno), são:

4.2.1 Módulo de Elasticidade

Roberto destaca em sua pesquisa que a adição de Nanomateriais como, por exemplo, o óxido de grafeno, agregam elasticidade a pasta cimentícia, uma das causas relacionadas a esse aumento da propriedade é a diminuição dos espaços de vazios, número de poros.

Ao adicionarmos 0,05% de óxido de grafeno a pasta observamos um ganho de aproximadamente 3,50 GPa em módulo de elasticidade. Analisando de uma forma geral, conclui-se que as amostras que possuem em sua composição 3% de GO (Óxido de Grafeno), tendem a ter um ganho de elasticidade que varia de 5 a 20 GPa. Uma massa de cimento que não tem o nanomaterial introduzido em sua composição, tem um módulo de elasticidade que varia entre 1 e 10 GPa.

4.2.2 Resistência à Tração por Flexão

Pastas cimentícias com a adições de 0,15% sobre a massa de cimento apresentam ganhos de resistência à flexão de até 16%. A aplicação de nanomateriais em matrizes cimentícias acarreta um aumento considerável dá resistência à flexão. 

Em um estudo realizado em 2015 (XU; LIU; LI, 2015), foi constatado que o aumento 0,2% do índice de nanomateriais em matriz cimentícia acarretou um aumento de 40% na resistência à flexão.

4.2.3 Resistência à compressão

Quando o assunto é resistência a compressão devemos tomar muito cuidado, resultados obtidos por Cwirzen, et al. 2008, mostram que as pastas com elevado teor de nanomaterial obtiveram resistências mais baixas, provavelmente por conta de uma má dispersão.

Nessa mesma pesquisa foi observado um aumento de 50% da resistência a compressão quando adicionado 0,045% do nanomaterial a massa de cimento.

A “baixa” resistência mecânica das matrizes cimentícias se deve ao alto índice de poros capilares e espaços de vazios. Como já ressaltado, durante o período de secagem a pasta se retrai, criando microfissuras, que ao somadas a estes poros e espaços de vazios acarretam a perda gradual de resistência, ao adicionarmos os nanomaterias a mistura, temos que os mesma ocupação dos vazios diminuindo a porosidade, proporcionando assim a formação de uma pasta mais regular, promovendo aumento de durabilidade e resistência mecânica

Tendo em vista que a aplicação de nanomateriais agregam de forma positiva às propriedades mecânicas das matrizes cimentícias, estudos e pesquisas sobre o assunto se tornam cada vez mais relevantes e presentes, afinal, o futuro é esse.

5 Nanomateriais

5.1 Nanosílica

Antes de passar para a nanosílica é necessário, primeiro, entender a sua origem, sua derivação, que se deu a partir do óxido de silício que é considerada uma das substâncias mais abundantes da crosta terrestre. Podendo se apresenta em diversas forma, por exemplo, quando pura é um sólido branco (SiO₄). Ao ligar-se a diferentes elementos químico da origem a diversos tipos de minerais como o quartzo, areia, argila e topázio. 

Formada de uma unidade tetraédrica fundamental, é composta por um íon central de silício ligado a íons de oxigênio ligados a ele em suas quatro extremidades, formando uma estrutura nomeada de tridimensional denominada sílica, como representado na Figura 7. 

Figura 7: Ilustração da sílica em sua forma molecular

Fonte: COMMONS, 2005

Todas as moléculas de sílica são compostas por tetraedros com átomos de oxigênio, de forma que cada cristal, se “transforme” em uma molécula gigante, com sua fórmula estrutural SiO₂ (RENAST, 2017). Quando combinada recebe o nome de sílica livre ocorrendo de diversas formas: cristalinas, polimórfica, criptocristalina (que consiste em minúsculos cristais), e de forma amorfa (não cristalina).

Um dos problemas da sílica é sua capacidade de gerar a silicose cuja doença é provocada ao inalar pequenas partículas de sílica cristalina, sendo assim, se relaciona diretamente há diversos tipos de cânceres, doenças respiratórias e doenças autoimunes. Dados retirados do Instituto Nacional de Câncer comprovam que trabalhadores que tem contato direto com o pó de sílica, proveniente da sua manipulação, tendem a ter de 2 a 3x mais chances desenvolver câncer do que comparado ao resto da população.

Mesmo passando despercebida, a óxido de silício e suas derivações se fazem presentes no dia a dia, um exemplo é a sílica em gel utilizada na absorção de umidade.

A nanotecnologia está presente na sílica com o nanomaterial denominado, nanosílica que embasa muitas pesquisas e testes com o intuito de substituir ou reduzir em parte a utilização de cimento em concretos de alta resistência. Segundo Santos (2019), com o aumento do emprego da nanotecnologia, a nanosílica vem se tornando um nanomaterial cada vez mais empregado, como adição de concreto, visando proporcionar maior durabilidade a elas.

Segundo Márcio Henrique de Oliveira Dantas, é possível obter nanosílica por meio de vários processos. A variação nas temperaturas e na eficácia desses processos resulta em nanosílicas de diferentes tamanhos para cada aplicação demandada.

Existem dois métodos para a produção de nanomateriais. O primeiro envolve a redução gradual do material até atingir suas dimensões mínimas, dividindo  de cima para baixo (topdown). Um exemplo desse método é na indústria eletrônica, especificamente na fabricação de computadores. Já o segundo modo consiste em unir átomo por átomo para construir estruturas maiores, partindo do nível atômico para estruturas mais complexas, no sentido de baixo para cima (bottom-up). Esse processo é conhecido na natureza, especialmente no desenvolvimento de seres vivos (GLEIZE, 2007). Entre esses processos, é possível citar:

Processo sol-gel: que consiste na formação de uma rede de suspenção que ao ser congelada forma uma fase liquida e continua, o gel formado é envelhecido e posteriormente filtrado e tratado.

O método é eficaz na síntese de nanosílica. Entretanto, o desempenho dessas nanopartículas está sujeito às condições específicas da síntese, incluindo a associação molar dos reagentes, a propriedade do meio reacional (ácido ou básico) e a temperatura do processo térmico (Sobolev, 2006).

Vaporização da Sílica: Nesse método o quartzo, subproduto da sílica é levado a temperaturas altas, entre 1500 e 2000 °C. A sílica que se vaporiza é então coletada, resultando em um pó de partículas. 

A partir daí a sílica que evapora é recolhida e produzindo um pó de partículas.

Método biológico: Esse método consiste na alimentação de minhocas vermelhas da Califórnia com cascas de arroz. Após o processo do húmus gerado surge a sílica. 

Método da sílica olivina: Este é um método de produção sustentável da nanosílica, pois nele envolve a combinação da olivina (mineral) e de resíduos de ácido (sulfúrico e clorídrico), A partir desse processo forma-se uma sílica precipitada relevantemente fina (partículas entre 6 e 30 nm) e aglomerada, destacando-se que essa abordagem se torna mais barata do que a sílica ativa (LIEFTINK, 1997 apud QUERCIA; BROUWERS, 2010).

5.2 Óxido de Grafeno

Antes de introduzir o óxido de grafeno a pesquisa é necessário ter em mente noções e conceitos do grafeno.

Segundo o pesquisador Wilson Baluch o grafeno, considerando o alótropo do carbono, foi recentemente isolado. Podendo ser manipulados diferentes formas, esse material se torna o pilar fundamental para as nanoestruturas de carbono, com exceção do diamante.

As pesquisas com grafeno começaram por volta de 1947, quando o físico canadense Philip Russell Wallace, descobriu e estudou os princípios básicos deste nanomaterial. Mas foi em 1962, com os químicos e cientistas alemães Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm, que o grafeno pode ser visualizado pela primeira vez. Nesse mesmo ano foi batizado por Boehm, sendo chamado a partir daí de grafeno. Seu nome derivou-se da palavra grafite com o sufixo “-eno”.

Em 2004, o grafeno ganhou destaque mundial, por conta dos cientistas e pesquisadores Konstantin Novoselov e Andre Geim, ambos da Universidade de Manchester, localizada na Inglaterra, que através de diversas pesquisas e experimentos, conseguiram trazer à tona as principais propriedades do material. 

Os mesmos, conseguiram também, aumentar a condutibilidade e diminuir a sua espessura sem modificar suas principais características. Esse estudo lhes rendeu, posteriormente, o Prêmio Nobel de Física de 2010, além de desencadear a ascensão do nanomaterial.

Composto de uma camada muito fina de grafite, o grafeno representa um material bidimensional com uma única camada de carbono, organizadas em uma estrutura hexagonal, como ilustrado na Figura 8.

Figura 8: Ilustração do óxido de grafeno em sua forma molecular

Fonte: TODER, 2018

Um dos materiais mais resistentes conhecido pela ciência é cerca de 200x mais resistente que o aço, além de ser um excelente condutor de eletricidade, é maleável, flexível, impermeável, e absorver com êxito o calor e a luz. Essas e outras características levam o grafeno a ser considerado o material do futuro.

Através de pesquisas e estudos, constata-se que o nanomaterial agrega positivamente a qualidade do produto final, ou seja, ao incorporá-lo a matrizes cimentícias se observa o aumento da resistência à tração e compressão, aumento da impermeabilidade e redução de custos com material. Seu emprego, também, reduz a emissão de gases, como o CO₂, que são considerados prejudiciais ao meio ambiente.

Existem dezenas de meios para se produzir grafeno como, a microesfoliação mecânica, a microesfoliação química, deposição química a vapor e a redução, dando origem ao óxido de grafeno.

O óxido de grafeno (GO) é considerado um subproduto do grafeno, ele possui uma camada de grafeno com múltiplos grupos funcionais oxigenados conectados aos átomos de carbono (DREYER et al. 2009). Esses átomos de oxigênio conferem ao GO polaridade, que permite que o mesmo crie suspensões estáveis em água.

Sintetizado pela primeira vez em 1859, utilizando clorato de potássio e ácido nítrico para oxidar o grafite, o GO é um sólido fácil de se dispersar em água, mas não em ácido. Staudenmaier durante testes, realizou a adição de clorato em múltiplas alíquotas, ao invés de adicioná-lo de uma só vez, mudança necessária, afinal as reações químicas, liberam gases tóxicos e inflamáveis, a adição controlada do clorato é uma medida de segurança contra esses gases.

No entanto, foram William S. Hummers e Richard E. Offeman, em 1959, que desenvolveram o processo de sintetização utilizado até hoje, conhecido como Método Hummers, ilutrado na Figura 9,10 e 11. De acordo com a pesquisa de Sergio Luis Rabelo Almeida (2018), William trocou o ácido nítrico por ácido sulfúrico (H₂SO₄), e clorato de potássio por permanganato de potássio (KMnO₄) e nitrato de sódio (NaNO₃), o que acarretou o aumento da viscosidade, formando assim, uma mistura pastosa marrom acinzentada. Ao término de 30 minutos, constatou-se pouca liberação de gases nocivos. Em seguida eram adicionados 4,6 litros de água muito lentamente, pois esta reação era extremamente exotérmica e violenta, elevando a temperatura da mistura até 98°C. (ALMEIDA, et al. 2018).

Figura 9: Processo de obtenção de GO pelo Método de Hummers – Parte 1

Fonte: ALMEIDA, 2018

Figura 10: Processo de obtenção de GO pelo Método de Hummers – Parte 2

Fonte: ALMEIDA, 2018

Figura 11: Processo de obtenção de GO pelo Método de Hummers – Parte 3

Fonte: ALMEIDA, 2018

6 Metodologia

A pesquisa elaborada pode ser classificada como exploratória com interpretação qualitativa. O plano adotado envolveu a revisão da literatura, utilizando as bases de dados em artigos, revistas cientificas, teses, doutorados e o Science Direct. Com objetivo de abranger um amplas informações de trabalhos sobre o tema escolhido, evitando assim repetições na busca na literatura, optou-se por utilizar escritores bem precisos. 

Foram utilizadas as palavras chaves nas buscas. No que diz a respeito à seleção de artigos teses e dissertações, foram empregadas palavras-chave relacionadas ao tema do trabalho: “óxido de grafeno e cimento”, além das mesmas traduzidas para o inglês. O recorte temporal foi estabelecido a partir do ano 2000. Foram priorizados artigos de revisão sobre o tema.

7 Resultados e Discussões

7.1 Adição de Nanosílica

A sílica se faz presente na construção civil, sendo vastamente utilizada em projetos de túneis e barragens. Além de estar presente em alvenarias também é utilizado na fabricação do cimento. 

Muito se tem pesquisado sobre o tema, mas a quantidade de informações referente a sua obtenção, emprego e aplicação na construção ainda é muito escasso. Por possuir uma estrutura cristalizada a nanosílica atrai o interesse dos pesquisadores, e é um grande concorrente, cotada para substituir parcialmente o cimento em pastas.

A adição de nanosílica em argamassas e concretos agrega positivamente na eficiência das estruturas. Graças a sua maior área específica reage de forma mais rápida mesmo que utilizado em pequenas quantidades, se tratando de um nanomaterial com a capacidade aglomerante, ainda, reduz o volume de vazios e consequentemente a porosidade nas matrizes.

O estudo conduzido por Márcio Henrique de Dantas destaca que a inclusão de nanosílica desempenha duas funções. Em primeiro lugar, tem uma função química ao atuar como uma pozolana de alta reatividade, reagindo rapidamente com o Ca(OH)_2, que foi liberado ao decorrer do processo de hidratação do cimento, ou seja, resultando na formação de compostos sólidos de silicato de cálcio hidratado, os quais possuem a capacidade de preencher os espaços capilares. Em segundo lugar, desempenha uma função física ao agir como fíller e ao densificar a microestrutura. As partículas se espalham nos espaços entre os grãos de cimento, promovendo uma distribuição uniforme dos produtos da hidratação. Esse processo contribui para uma estrutura mais compacta e robusta, menos porosa e consequentemente uma menor permeabilidade e maior resistência do material (Aïtcin, 1998).

A incorporação desses nanoelementos a matrizes cimentícias reduz significativamente o volume de vazios, já que as partículas menores ocupam os intervalos entre os demais elementos.

Ainda que a rápida taxa de reação e a propriedade aglomerante, os pesquisadores Bjornstrom et al. (2004), Furquim (2006) e Duart (2008), enfatizam outra vantagem na utilização do material. Conforme o aumento de hidratação do cimento, resulta em uma área superficial que forma pontos de nucleação favorecendo a produção de C – S – H.  A pesquisa de Dantas menciona que: 

No estudo realizado em por SHIEH, et al 2006, foram adicionadas nanopartículas de sílica, com aproximadamente 20 nm de diâmetro na forma de dispersão coloidal no cimento, para analisar as mudanças na microestrutura. 

Foi observado um aprimoramento de 43% na resistência nas propriedades mecânicas com adição de nanosílica de apenas 0,6%.

Os autores afirmaram que as reações entre o hidróxido de cálcio e sílica amorfa (dióxido de silício), ocorrem de forma lenta, durante um grande período de cura, isso ocorreu por as partículas esféricas de nanosílica tem diâmetro 1000 vezes mais finas do que partículas de cimento médio, resultando em uma grande superfície. Já a nanosílica por sua vez, reage de forma ainda mais rápida com o hidróxido de cálcio, transformando o silicato de cálcio em um meio alcalino. O aumento da força da pasta de cimento se torna evidente desde o início, e ainda mais evidente após 14 dias de hidratação.

Concluiu-se que dentre todas as idades de cura, o valor ótimo de resistência de concentração de nanosílica foi de 0,6%, com maior resistência as com idade de 56 dias.

O emprego da nanosílica, reforça-se não só, a resistência à compressão, atribuída a possíveis reações pozolâmicas entre o nanomaterial e o cimento, mas também, é possível observar a diminuição de tempo de reação e o aumento da impermeabilidade.

Conforme os resultados encontrados nos testes de resistência a compressão, é previsto que a nanosílica desempenhe como um agente promotor da reação pozolânica e não apenas a função de material de enchimento para aprimorar a microestrutura do cimento (Mohammadmehdi, 2012). 

Em conjunto com o ganho de resistência, é possível perceber também, a diminuição na liberação de gás carbônico, prejudicial ao ecossistema. Todas as características fazem da nanosílica um material vantajoso, seu emprego é sem dúvida uma ótima alternativa que une uma boa qualidade estrutural, ganho de resistência a preservação ambiental.

7.2 Adição de Óxido de Grafeno

Entre os materiais a base de carbono, o que mais se destaca no ramo da construção civil é o óxido de grafeno, afinal é de fácil processamento, baixo custo e conta com propriedades que o tornam um ganho, ao introduzi-lo, a matrizes cimentícia. Entre as características associadas a seu uso, destaca-se, a alta resistência mecânica à compressão, força de tração via compressão diametral e flexão nos terços. Isso deve-se ao fato de o GO promover a hidratação do cimento, e o preenchimento de poros/ volume de vazios, aumentando assim, a resistência.

Conforme o estudo “Compósitos de cimento e óxidos de grafeno: avaliação das propriedades mecânicas” de André George Camalionte e colaborações, diferentes nanomateriais já têm sido utilizados em argamassas e concretos. Destacando-se os nanomateriais que tem sua composição a base de carbono: nanotubos de carbono (CNT), grafeno e óxido de grafeno (GO). Esses elementos são constituídos de uma camada de átomo de carbono organizado em estrutura hexagonal. Essa organização de ligações covalentes gera propriedades físicas incríveis. De acordo com Chuah (2014), os módulos de elasticidade dos materiais grafeno, CNT e GO são, respectivamente, 23-42GPa, 950GPa e 1000GPa, enquanto as resistências por esforços a tração, na mesma ordem, chegam a 0,13GPa, 11-63GPa e 130GPa. Essas propriedades são notáveis por sua excepcional elevação, e por serem nanomateriais, suas áreas superficiais também são extremamente amplas, atingindo: 2.600 m2/g no grafeno, de 700 a 1500 m2/g no GO e de 70 a até 400 m²/g no CNT. Essas particularidades indicam uma grande aplicação na construção civil, especialmente como reforços para materiais a base de cimento.

Os resultados deste estudo reafirmam a literatura, afinal o índice de porosidade em um corpo de prova feito a partir da massa com GO é inferior ao corpo de prova feito a partir da massa sem GO, como mostra as Figuras 12, 13, 14 e 15:

Figura 12: Argamassa-piloto aos 7 dias ampliada 1.500x

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Figura 13: Argamassa com GO aos 7 dias ampliada 2.500x

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Figura 14: Argamassa-piloto aos 28 dias ampliada 2.000x

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Figura 15: Argamassa com GO aos 28 dias ampliada 2.500x

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Foi concluído por George Camalionte no experimento inicial de sete dias, que a principal rachadura se desenvolveu em uma área onde estruturas em forma de agulhas finas estavam presentes, conforme Figuras 16 e 17. Essa estrutura é associada à etringita, um subproduto comum na hidratação do cimento, muitas vezes ligado à fragilidade do material. Na mesma fase, o compósito contendo GO exibiu rachaduras menores e uma redução na presença de etringita, resultando em uma matriz mais coesa e uniforme. Após 28 dias, notou-se uma maior aglomeração dos produtos de hidratação no compósito com GO em comparação à amostra inicial, sugerindo uma possível maior hidratação do cimento. Mesmo aos 28 dias, ao examinar o compósito cimento-o, foram identificadas várias fissuras com aberturas de aproximadamente 100 nm. Conforme a teoria da fratura, a propagação das fissuras e a formação de novas superfícies exigem uma energia mínima. Neville e Brooks (2013) indicam que essa energia geralmente é atingida quando a tensão máxima na extremidade da fissura atinge cerca de 30% de tensão no quesito ruptura do material.

Figura 16: Microfissuras encontradas no compósito cimentício de GO aos 28 dias

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Figura 17: Estrutura de Hidratação

Fonte: CAMALIONTE, 2018

Como indicado nas Figuras 16 e 17, não foi encontrado a propagação de fissuras. Existem duas hipóteses que justificam esse fenômeno: devido aumento da tensão de ruptura ou da redução máxima na ponta da fissura, a energia de propagação não foi atingida; a segunda justificativa é que a energia foi atingida, porém a propagação da microfissura foi bloqueada (CAMALIONTE, 2018).

8 Perspectivas Futuras da Aplicação:

Mesmo com o avanço da ciência, a ideia da nanotecnologia sempre foi um pensamento distante, só possível em um futuro longínquo. A manipulação da matéria em uma escala tão pequena era, até então, algo impossível, visto que a tecnologia do fim do século XIX não era avançada a ponto de permitir o vislumbre de nanopartículas.

Com a nanotecnologia, sugere uma visão promissora para o futuro da construção civil, sua aplicação contribuir de forma significativa para um melhor desempenho e qualidade das estruturas. A perspectiva de um menor gasto com a manutenção, o aumento da durabilidade, e a sustentabilidade envolta no seu emprego, atinge um crescente volume de consumidores e investidores.

A área tecnológica da engenharia civil tem alcançado uma posição consolidada como uma esfera crucial para o desenvolvimento global. As bases financeiras e os avanços tecnológicos são fundamentais em construções e na tecnologia de materiais. As questões sociais relacionadas à inclusão de mão de obra e a responsabilidade ambiental, devido ao uso contínuo de produtos, são algumas das características que destacam essa atividade como protagonista atualmente. A engenharia civil está passando por um notável progresso tecnológico e encara desafios de complexidade crescente.

Nos tempos atuais, potências significativas como os Estados Unidos, Rússia e China, aplicam quantidades significativas nessa área. É de entendimento que o investimento em pesquisas agrega de forma substancial ao desenvolvimento das nações, tornando-se uma vantagem estratégica e econômica substancial.

O desenvolvimento da nanotecnologia, e junto com ela novos métodos, movimenta um mercado de investimentos na ordem de 40 bilhões de dólares anuais. No Brasil, entre 2005 e 2006, esse investimento passou de 30 milhões de dólares. Estes são apenas algumas amostras dos grandes números inseridos nesse mercado.

Segundo a pesquisa conduzida por Hadma Sousa Ferreira e Maria do Carmo Rangel, intitulado de “Nanotecnologia: aspectos gerais e potencial de aplicação em catálise (2009)”, em 2008, somente no mês de fevereiro, foram publicados mais de 15.000 artigos e trabalhos como o tema de nanotecnologia, já o termo ” nanomaterial” foi tema mais de 1.000 publicação. Esses números apenas enfatizam o tamanho progresso dessa área no meio científico. Por mais que as perspectivas sejam boas, ainda existem empecilhos a serem enfrentados, como a parceria entre o meio acadêmico e industrial, essa correlação é fundamental para o desenvolvimento da nanotecnologia no cenário tecnológico e socioeconômico global.

Ainda Segundo a pesquisa de FERREIRA e RANGEL, 2009, a nanotecnologia pode proporcionar a geração de novos produtos e oportunidades de mercado. A maioria das indústrias irá se beneficiar com essas inovações a partir da colaboração e interação entre indústria, instituições governamentais e academia. O modelo tradicional de negócio de larga escala precisará ser revisto para considerar o elevado valor agregado dos nanomateriais, seu valor social deverá incluir um menor impacto ambienta na manufatura dos produtos. Os processos serão mais limpos e eficientes no uso da energia e, possivelmente, de novas fontes renováveis. O maior benefício será do consumidor que terá grande diversidade de produtos baseados na nanotecnologia e que irão agregar na qualidade de vida de toda a sociedade.

Somando a quantidade de investimento e interesse ao resultado positivo da inserção da nanotecnologia na construção civil, prevê-se um futuro em que essa parceria cresça e se estende gerando muitos frutos.

9 Considerações Finais

A criação de nanomateriais traz à tona um mundo cheio de novas possibilidades, objetos, eletroeletrônicos e até mesmo tratamentos, que vem com o objetivo de tornar mais fácil e aprimorar a qualidade de vida.

Na construção civil essa tecnologia se faz presente através de nanopartículas e nanoestruturas, que quando combinadas a matrizes cimentícias geram novas propriedades e até mesmo resolvem algumas desvantagens do seu emprego, afinal o alto índice de porosidade e a baixa resistência a tração sempre estiveram associadas ao cimento.

A utilização de nanomateriais, como o óxido de grafeno, aborda essa barreira. Ao produzir matrizes com características específicas adaptadas à sua aplicação, é possível obter um produto com maior resistência mecânica e melhores propriedades de aplicação, resultando em um aumento significativo da durabilidade e qualidade da estrutura.

As pesquisas científicas, por meio de testes laboratoriais, corroboram que a adoção dessa inovação tecnológica diminui o volume de vazios e porosidade nas matrizes com base de cimento, resultando em estruturas com um desempenho superior em termos de resistência mecânica. A resolução desse problema agregará maior valor e popularidade ao cimento, material revolucionário, viabilizando a criação de novas estruturas, com maiores possibilidades arquitetônicas e com maior aproveitamento de espaço e material.

Sem deixar de lado, a questão sustentabilidade, descobriu-se, que com o emprego de nanopartículas e nanoestruturas, o índice de consumo de cimento se fez menor, contribuindo diretamente para a redução da poluição e liberação de gases nocivos a camada ao meio ambiente.

Portanto, o emprego do GO em matrizes cimentícias, além de agregar positivamente nas características do material, ajuda na diminuição de emissão de gás carbônico (CO2), emitido em grande escala durante as reações de hidratação do cimento. Dado que o cimento é responsável por 5% das emissões globais de CO2, ao reduzir seu consumo mantendo as propriedades de resistência da massa, gera-se benefício direto ao meio ambiente (ROJAS, et al. 2013).

---