REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7968119
Bruno Constâncio Furchini
Giovanni Dioguardi Martins
Luan Felix de Morais
Sandro Martini
Resumo
A influência dos nanomateriais nas propriedades mecânicas do concreto tem sido objeto de estudos e pesquisas recentes, buscando explorar o potencial desses materiais em melhorar o desempenho e as características do concreto. Os nanomateriais, como o óxido de grafeno, a nanosílica e os nanotubos de carbono, apresentam propriedades únicas em escala nanométrica, o que lhes confere propriedades mecânicas e físico-químicas diferenciadas. Um dos principais efeitos observados com a adição de nanomateriais é o aumento na resistência mecânica do concreto. Além do aumento na resistência mecânica, os nanomateriais também podem influenciar outras propriedades do concreto, como a durabilidade, a tenacidade e a resistência à abrasão. Apesar das promissoras melhorias proporcionadas pelos nanomateriais, ainda existem desafios a serem superados para sua aplicação em larga escala na indústria da construção. A falta de padronização nos ensaios e a necessidade de mais estudos e pesquisas são aspectos que precisam ser considerados para o desenvolvimento e a adoção de tecnologias baseadas em nanomateriais.
Palavras-chave: Nanotecnologia. Concreto. Propriedades Mecânicas.
Abstract
The influence of nanomaterials on the mechanical properties of concrete has been the subject of recent studies and research, aiming to explore the potential of these materials in improving the performance and characteristics of concrete. Nanomaterials, such as graphene oxide, nanosilica, and carbon nanotubes, exhibit unique properties at the nanoscale, which confer them distinct mechanical and physicochemical properties. One of the main effects observed with the addition of nanomaterials is the increase in the mechanical strength of concrete. In addition to the increase in mechanical strength, nanomaterials can also influence other properties of concrete, such as durability, toughness, and abrasion resistance. Despite the promising improvements offered by nanomaterials, there are still challenges to be overcome for their widespread application in the construction industry. The lack of standardization in testing and the need for further studies and research are aspects that need to be considered for the development and adoption of nanomaterial-based technologies.
Keywords: Nanotechnology. Concrete. Mechanical properties.
1. Introdução
Atualmente, a economia e a eficiência na construção civil têm sido o foco de muitas pesquisas. O concreto, que tem o cimento como seu principal ingrediente, recebeu diversas críticas internacionais devido à alta emissão de CO2 na sua produção. Apesar de possuir boa resistência, o concreto não demonstra uma durabilidade eficaz. Essa situação motivou pesquisadores a testarem a inclusão de nanopartículas de sílica, carbono e grafeno em sua composição, buscando alcançar novos patamares de resistência, durabilidade e permeabilidade, além de torná-lo mais sustentável [1,2].
Os nanomateriais apresentam um campo promissor de pesquisa, pois podem potencializar as propriedades do concreto, tais como resistência mecânica, durabilidade e características de permeabilidade. Ademais, o emprego de nanomateriais pode auxiliar na diminuição do consumo de cimento, colaborando para a redução das emissões de dióxido de carbono e tornando-o um material mais eficaz e sustentável para a construção civil [3].
Este artigo tem por finalidade discutir algumas das principais tecnologias utilizadas atualmente em compósitos cimentícios, bem como seus benefícios, com ênfase nas nanopartículas de sílica, óxido de grafeno e nanotubo de carbono. Para tanto, pretende-se:
- Realizar uma revisão sistemática da literatura acerca dos nanomateriais aplicados em compósitos cimentícios, a fim de identificar as principais características, vantagens e limitações desses materiais.
- Estudar as propriedades físicas e mecânicas dos compósitos cimentícios reforçados com nanomateriais, por meio de análises experimentais, objetivando compreender o efeito da incorporação desses materiais nas propriedades do concreto.
- Discutir os desafios e oportunidades para o desenvolvimento de novos materiais compósitos cimentícios, levando em conta a perspectiva de mercado, a regulamentação e a viabilidade técnica e econômica.
2. Revisão bibliográfica
2.1 Concreto
O concreto é um material de construção composto por cimento, água, agregados (tais como areia e brita) e, eventualmente, aditivos (compostos que aprimoram suas propriedades). Sua composição pode variar de acordo com a sua aplicação, visando torná-lo mais resistente e durável [4,5].
Existem diversos tipos de concreto, dentre eles o concreto convencional, o concreto armado, o concreto protendido e o concreto leve. O concreto convencional é o mais comum e é empregado em uma vasta gama de aplicações. Por sua vez, o concreto armado possui uma estrutura interna de aço para potencializar a sua resistência, enquanto o concreto protendido é pré-tensionado para ampliar ainda mais a sua resistência [6].
As propriedades do concreto incluem a sua resistência à compressão, tração, flexão, abrasão e impacto. Sua utilização abrange desde fundações e estruturas até simples calçadas [4,5].
2.2 Nanomateriais
Os nanomateriais são substâncias com dimensões na escala nanométrica, isto é, com tamanho inferior a 100 nanômetros. Estes materiais apresentam características únicas, como elevada área superficial e alta reatividade química, que os tornam úteis em diversas áreas, incluindo a construção civil. São utilizados para reforço de materiais, auto limpeza, isolamento térmico, auto sanitização, detecção de estruturas, dentre outras aplicações [7,8].
No que tange à incorporação dos nanomateriais ao concreto, as técnicas mais comuns incluem a dispersão direta, a incorporação por adsorção e a utilização de aditivos especiais. A dispersão direta envolve a adição dos nanomateriais diretamente à mistura de concreto, enquanto a incorporação por adsorção demanda o pré-tratamento dos nanomateriais com agentes surfactantes antes da sua adição ao concreto. Já a utilização de aditivos especiais consiste na adição de compostos que auxiliam a dispersar os nanomateriais na mistura de concreto. Independentemente do método selecionado, é fundamental garantir uma distribuição homogênea dos nanomateriais na mistura de concreto, de modo a assegurar os efeitos desejados nas propriedades do material final [9].
2.3 Característica dos nanomateriais
2.3.1 Óxido de grafeno
A adição de partículas nanométricas pode potencializar as propriedades do concreto devido à sua área de superfície ampliada e capacidade de preencher os nanoporos da pasta de cimento [10]. Existem oportunidades para o uso de nanomateriais recém-desenvolvidos, dado que a nanotecnologia em materiais à base de cimento ainda se encontra em fase de pesquisa [11].
O grafeno é um desses nanomateriais, constituído de carbono puro, no qual os átomos de carbono estão organizados em uma única camada com apenas um átomo de espessura. Por ser o carbono a base química de toda a vida conhecida na Terra, o grafeno surge como uma solução ecológica e sustentável para um número quase ilimitado de aplicações, incluindo a área da construção. O grafeno é considerado o material mais resistente do planeta, possuindo uma resistência à tração de 130 GPa, módulo de Young de 1 TPa, rigidez à tensão de 340 GPa e rigidez flexural de 3,18 GPa [12].
Várias tentativas estão sendo empreendidas por pesquisadores ao redor do mundo para explorar a possibilidade de utilizar o grafeno e seus derivados em diferentes formas no concreto, com o intuito de aperfeiçoar suas propriedades. Um dos derivados do grafeno mais facilmente processáveis, conhecido como óxido de grafeno (OG), tem sido intensivamente investigado [13-14] nos últimos anos devido ao seu uso em compósitos de concreto e cimento.
Diversas técnicas de produção de grafeno foram desenvolvidas para permitir a utilização do grafeno em aplicações comerciais. O grafeno pode ser obtido de maneira relativamente fácil por exfoliação líquida de alta cisalhamento do pó de grafite [15]. O grafeno obtido dessa forma foi empregado em concreto e relatou-se um aumento significativo na resistência à compressão e flexão, uma redução na permeabilidade à água e, simultaneamente, um desempenho elétrico e térmico aprimorado [16]. O Grafeno Esfoliado Eletroquimicamente, que consiste em uma lâmina de grafeno com algumas camadas de espessura, foi empregado com pasta de cimento e constitui a aplicação mais recente de nanomateriais na engenharia civil [17].
O projeto da mistura de concreto adotado ao longo deste estudo foi realizado de acordo com o procedimento especificado na Norma Indiana [18,19,20] para uma consistência inicial de 50 mm. Os critérios para a relação água-cimento (a/c) e teor mínimo de cimento também foram atendidos de acordo com a Norma Indiana [19,21]. O volume de agregado graúdo por unidade de volume de concreto foi mantido em 0,64 conforme a Norma Indiana [15, 17]. Foram selecionadas misturas de projeto com três diferentes resistências-alvo e três diferentes relações a/c.
A Norma Indiana [20, 21] classifica diversas misturas de projeto com uma resistência à compressão característica em intervalos de 5 MPa. Essa recomendação foi adotada ao selecionar a resistência à compressão alvo no estudo. Como a mistura de concreto foi projetada de acordo com as disposições codificadas predefinidas, as variáveis matematicamente independentes x1, x2 e x3 foram atribuídas à água, cimento e agregados, respectivamente.
Uma solução aquosa dispersa de SLES-Graphene (SG) foi preparada dispersando o pó SG em dosagens de 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 e 1 g/l por volume de água (Figura 1 e Tabela 1). A dosagem da solução SG é referenciada de G1 a G7 é atribuída à variável x4. O concreto foi preparado misturando cimento, agregados e a água dispersa com SG.
Figura 1: (a) Solução aquosa dispersa de grafeno (b) A mistura seca de concreto com grafeno (c) Concreto com grafeno após a mistura (d) Cura do espécime.[22].
Tabela 1: Dosagem da Solução SLES-grafeno utilizada no teste.[22]
Os resultados referentes à microestrutura e às características mecânicas, tanto estáticas quanto dinâmicas, do concreto padrão e de alta resistência incorporado com óxido de grafeno (OG) proporcionam novos insights sobre o comportamento do OG em concretos cimentícios. As conclusões a seguir foram obtidas com base nos resultados experimentais [22].
2.3.2 Nanosílica
A presença de nanosílica é observada em duas formas distintas, a sólida e a coloidal. No entanto, a forma coloidal é mais favorecida devido à notória tendência de aglomeração presente na forma sólida da nanosílica. Uma faixa de tamanho de 14 a 80 nm foi utilizada em estudos diversos com quase 99,9% de pureza. A contribuição mais significativa da nanosílica está na produção do Silicato de Cálcio Hidratado (gel C-S-H), através da seguinte reação química
(Figura 2) [23].
Figura 2: Reação química da produção do gel CSH [23].
Como mostra a Tabela 2, temos as propriedades da nanosílica utilizada nos estudos. [23]. Tanto o tempo de pega inicial quanto o final são reduzidos pela adição de nanosílica. Além disso, a diferença entre o tempo de pega inicial e o tempo de pega final diminui com o aumento do teor de nanosílica. No entanto, a configuração inicial muitas vezes não é vantajosa. É devido à velocidade de hidratação mais rápida, conforme Figura 3 [23,24].
Figura 3: Comparativo do tempo de pega e hidratação (a) Tempo de presa; (b) Valor do abatimento [23].
experimentos adicionais. O procedimento de mistura foi o mesmo aplicado às misturas de argamassa, exceto pela ausência de agregados (Tabela 3). Sete corpos de prova de pasta de cimento foram confeccionados: referência, corpos de prova com 2%, 4% e 6% de nanopartículas de Nanosílica (NS) e nano-TiO2 (NT), além de corpos de prova com 1%, 3% e 5% de nanopartículas de Nano-Fe2O3 (NF).
Tabela 3: Composição dos materiais para o teste realizado [25].
As propriedades mecânicas dos materiais cimentícios dependem, geralmente, de dois fatores principais: as propriedades micromecânicas do material da matriz (incluindo fases de hidratação como o silicato de cálcio hidratado (CSH), clínquer não hidratado, bem como suas proporções) [26], e a porosidade/distribuição do tamanho dos poros [27]. Assim, pastas de cimento com diferentes quantidades de nanopartículas foram testadas para quantificar a influência dessas nanopartículas nas propriedades micromecânicas e na porosidade.
Para avaliar a porosidade das pastas de cimento, foi medida a porosidade acessível à água (também conhecida como porosidade aberta) [25]. As amostras foram testadas após mais de 90 dias, a fim de mitigar a possível influência de diferentes graus de hidratação nos resultados das medições. Foram extraídas amostras de aproximadamente 1 cm³ das amostras maiores para realização dos testes. Para cada mistura, duas amostras foram testadas e a média dos resultados foi relatada. Foi realizado um procedimento de pré-condicionamento antes do teste.
Inicialmente, os espécimes foram secos a 105 ºC até atingirem peso constante. Em seguida, o peso seco (md) foi medido. Após a secagem, os espécimes foram saturados a vácuo com água por 24 horas, garantindo a saturação completa. O peso da superfície saturada e seca (SSD) foi medido no ar (ms) e hidrostaticamente (mh). A porosidade aparente (/) das pastas de cimento foi calculada conforme a Figura 4 [25].
Figura 4: Fórmula da porosidade aparente [25].
As propriedades micromecânicas de pastas de cimento com diferentes quantidades de nanopartículas foram medidas usando a técnica de nanoindentação.
A nanoindentação é uma técnica avançada de caracterização que é frequentemente utilizada para determinar propriedades mecânicas locais de pequenos volumes a partir da curva de carga/deslocamento de indentação. Originalmente desenvolvida para testar materiais (relativamente) homogêneos, como aços e filmes finos, a técnica ganhou aceitação no campo de materiais cimentícios nos últimos 15 anos [25]. Embora possa, em princípio, ser usada para determinar as propriedades micromecânicas de fases individuais de hidratação na pasta de cimento, através de técnicas estatísticas de nanoindentação ou em combinação com outras técnicas como a Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) ou a análise por Energia Dispersiva de Raios X (EDX) [25], ela também é comumente utilizada para indicar tendências gerais em termos de propriedades micromecânicas de materiais cimentícios [28]. Essa abordagem fornece menos informações quantitativas, mas tem a vantagem de ser mais simples (ou seja, não requer pós-processamento adicional de dados de nanoindentação ou testes usando outro equipamento) e mais representativa da microestrutura geral, pois volumes maiores podem ser investigados.
Pastas de cimento hidratadas com diferentes quantidades de nano adições foram usadas para os testes. Pequenos discos foram cortados de espécimes com mais de 90 dias. A hidratação das amostras foi interrompida usando a troca de solvente com isopropanol antes do teste de nanoindentação. Os espécimes foram submersos cinco vezes e retirados por um período de um minuto para permitir uma troca rápida de água e solvente. Em seguida, os espécimes foram mantidos em isopropanol até o teste. Os corpos de prova foram então moídos com lixa, usando etanol como agente de resfriamento para evitar a hidratação adicional. As amostras foram então polidas com pasta de diamante de várias granulometrias (6 μm, 3 μm, 1 μm e 0,25 μm) em uma mesa de lapidação. Cada etapa de polimento foi seguida pela imersão dos espécimes em um banho ultrassônico para remover qualquer resíduo. A preparação do espécime foi realizada imediatamente antes do teste de nanoindentação para evitar a possível carbonatação da superfície testada.
Em outro estudo realizado [29], cimento, escória de aço (SS) e nanosílica (NS) foram concebidos como materiais cimentícios. SS (de 0% a 30% com intervalo de 10%) e NS (de 0% a 3% com intervalo de 1%) foram adotados por massa de cimento para preparar corpos de prova de argamassa com uma relação água/cimento de 1/2 e cimento/areia de 1/3, sendo as proporções da mistura mostradas na Tabela 4. Inicialmente, NS foi dispersa em água por ultrassom por 5 minutos para obter uma solução homogênea. Em seguida, amostras de argamassa de cimento foram preparadas nos moldes baseados na norma GB/T 17671-1999 para resistência à compressão e colocadas em uma sala de cura (20°C, umidade relativa de 90%). Após 24 horas, os corpos de prova foram desmoldados e curados nas mesmas condições até atingirem a idade desejada para os testes [29].
Os corpos de prova de pasta de cimento foram preparados de acordo com a Tabela 4 (excluindo a areia), e o processo de preparação foi o mesmo que o da argamassa. Após a cura, os espécimes foram quebrados em partículas e imersos em etanol absoluto para interromper a hidratação por cerca de 7 dias, depois secos em uma estufa a 50°C. Algumas das partículas foram moídas até formar um pó que passou por uma peneira de 63 μm para testes de Difração de raios X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA) e Ressonância Magnética Nuclear (NMR). Pequenos pedaços de 3 a 5 mm foram preparados para o teste de Porosimetria de Intrusão de Mercúrio (MIP) [29].
Tabela 4: Proporções de mistura da argamassa usada nos testes [29]
2.3.3 Nanotubos de carbono
Os Nanotubos de Carbono (NTC) têm uma estrutura única que confere uma série de propriedades extraordinárias. Sua quiralidade, que depende do ângulo de rolagem da folha de grafeno, desempenha um papel crucial em suas propriedades físicas. A equação da quiralidade é mostrada na Figura 5. Os NTCs podem ser classificados em três tipos com base na quiralidade: zigue-zague, poltrona e quiral, cada um com propriedades eletrônicas e mecânicas distintas [32].
A densidade dos NTCs, como mencionado, pode variar significativamente dependendo de fatores como comprimento, diâmetro e número de paredes. Por exemplo, um estudo realizado por Kim e outros [33] descobriu que a densidade de duas classes diferentes de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) com diâmetros de 15 nm e 22 nm estava na faixa de 1,74 ± 0,16 g/cm³. Isso indica que os NTCs com diâmetros maiores apresentavam maior densidade (Figura 6a e 6b).
A densidade dos NTCs varia muito dependendo de seu comprimento, diâmetro e número de paredes. Kim e outros. Descobriram que a densidade de duas classes diferentes de MWCNTs com diâmetros de 15 nm e 22 nm estava na faixa de 1,74 ± 0,16 g/cm³ [33] apresentaram maior densidade (Figura 6a e 6b).
Figura 6: (a) NTC atuando como enchimentos entre produtos de hidratação. (b) NTC unindo uma microtrinca[32]
Os nanotubos de carbono (NTC) utilizados na pesquisa têm nome comercial “Multi-Walled Carbon Nanotubes – GCM327”, foram fornecidos pela empresa Carbon Nanotubes Plus com as características indicadas na Tabela abaixo (Tabela 5). [34].
Tabela 5: Propriedades das moléculas de nanotubos de carbono.[34]
Os nanotubos de carbono (NTCs) são conhecidos por suas propriedades multifuncionais impressionantes, o que levou à sua utilização em várias aplicações comerciais, incluindo baterias recarregáveis, equipamentos esportivos, filtros de água e tintas anti-incrustantes [34].
Dentro do contexto de materiais cimentícios, os NTCs têm sido explorados por sua capacidade de introduzir efeitos piezo-resistivos – isto é, mudanças na resistividade elétrica em resposta à deformação. Esta propriedade foi primeiro relatada em compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono por Baron e Schulte [35]. Similarmente, os compósitos cimentícios reforçados com NTCs foram usados para monitorar a condição estrutural em tempo real, rastreando mudanças na resistividade elétrica à medida que ocorrem variações nos níveis de tensão [36-37].
Essas características únicas dos NTCs abrem caminho para o desenvolvimento de compósitos cimentícios de alto desempenho, multifuncionais e inteligentes [38]. No entanto, existem desafios significativos que devem ser superados antes que os NTCs possam ser adotados amplamente na indústria da construção. Em particular, existem questões críticas relacionadas à dispersão dos NTCs e à aderência interfacial entre os NTCs e a matriz cimentícia. É essencial resolver esses problemas para garantir que as propriedades únicas dos NTCs sejam efetivamente traduzidas em benefícios no desempenho dos compósitos cimentícios.
Estudos e revisões de literatura, como a mencionada [39], estão contribuindo para aprofundar nossa compreensão dos mecanismos de reforço proporcionados pelos NTCs dentro dos compósitos cimentícios. Este conhecimento será fundamental para orientar o desenvolvimento futuro de materiais de construção inovadores que aproveitam as propriedades excepcionais dos NTCs.
3. Metodologia
3.1 Critério de seleção dos estudos
Selecionou-se os artigos publicados nos últimos 4 anos (2019 – 2023 ), e foram aplicados filtros de acordo com as seguintes palavras chaves em inglês: Nanotechnology, Mechanical resistance e concrete, com a leitura das introduções onde abordavam os temas sobre as resistências, e adotou-se os que mais se adequavam a esta pesquisa.
3.2 Fontes de informações consultadas
Para buscar artigos internacionais, utilizamos a base de dados ScienceDirect e inserimos as seguintes palavras-chave em inglês: Nanotechnology, Mechanical Properties, Concrete, Graphene Oxide, Carbon Nanotube e Nano Silica. Em seguida, lemos os títulos dos artigos resultantes, fazendo uma triagem inicial para identificar os que tratavam de nanotecnologia e concreto em conjunto. Prosseguimos com o download desses artigos científicos selecionados. Posteriormente, lemos os respectivos resumos para realizar um segundo filtro, permitindo-nos selecionar os artigos mais relevantes para serem utilizados nesta revisão.
3.3 Análise de dados coletados
Coletamos dados a partir de mais de 30 artigos, o que nos permitiu obter resultados mais precisos sobre os nanomateriais após compará-los entre si. Nosso foco principal foi nas resistências mecânicas apresentadas por cada nanomaterial e no desempenho do concreto após a sua adição. Apesar de termos realizado diversas buscas, fizemos a leitura individual das conclusões e discussões de cada artigo, permitindo-nos obter resultados mais claros e precisos.
No contexto da “nanotecnologia”, escolhemos três nanomateriais para um estudo aprofundado. Este artigo relata, de forma separada, os dados, propriedades e resultados individuais de cada um desses nanomateriais selecionados.
4. Resultado e discussão
4.1 Óxido de grafeno
Um estudo [40] apresenta um resumo das propriedades mecânicas de misturas de concreto modificadas com GnP na Tabela 6. Além disso, a Figura 7 ilustra como a adição de GnP afeta a resistência e a elasticidade do concreto. A figura inclui fórmulas para previsão da resistência à compressão, tração e flexão. Como é evidenciado na Figura 7, diferentes quantidades de GnP influenciam de maneira significativa as propriedades mecânicas testadas do concreto. Conforme indicado na figura, há uma discussão contínua sobre como a dosagem de GnP afeta as propriedades mecânicas do concreto
Tabela 6: Resultados das propriedades mecânicas de misturas de concreto modificadas com GnP [40]
Figura 7: Efeito do GnP em: (a) resistência à compressão, (b) resistência à tração, (c) resistência à flexão e (d) módulo de elasticidade. [40]
No segundo estudo [41], a Figuras 8 e 9 apresentam a resistência à compressão do concreto compósito. Os resultados indicam que a inclusão de óxido de grafeno (OG) melhorou de forma significativa a resistência à compressão do concreto de cimento em diferentes idades. Foi observado um aumento expressivo na resistência à compressão, de 58,2% e 51,2% aos 7 dias, para uma dosagem de OG de 0,15% no concreto padrão e no concreto de alta resistência, respectivamente. Da mesma forma, as dosagens de OG de 0,05%, 0,10% e 0,20% resultaram em aumentos de resistência à compressão de 20,7%, 45,4% e 51,6%, respectivamente, aos 7 dias no concreto padrão, e de 21,0%, 37,1% e 43,2% no concreto de alta resistência. Isso sugere que a adição de OG estimulou a hidratação do cimento, especialmente nas dosagens de OG entre 0,05% e 0,15%, nos estágios iniciais. No entanto, a tendência da resistência à compressão foi alterada entre as dosagens de OG de 0,15% e 0,20%. A dosagem de 0,20% resultou em uma resistência à compressão menor do que a dosagem de 0,15%. Isso pode estar relacionado à limitação dos locais de nucleação, sugerindo que a resistência à compressão não se aprimora com o aumento da dosagem de OG na faixa de 0,15% a 0,20%. Portanto, a dosagem de OG de 0,15% proporcionou locais de nucleação adequados para a hidratação do cimento, enquanto dosagens maiores tiveram menor contribuição para a melhoria da resistência, conforme evidenciado nas Figuras 8 e 9 [41].
Figura 8: Resistência à compressão de concreto padrão com diferentes dosagens de OG [41].
Figura 9: Resistência à compressão de concreto padrão com diferentes dosagens de OG [41].
No terceiro estudo [42], a Figura 10b revela que a inclusão de 0,02%, 0,05% e 0,10% de óxido de grafeno (OG) aumentou a resistência à tração em 30,05%, 2,0% e 6,3%, respectivamente. Contudo, quando adicionado nas dosagens de 0,30% e 0,50%, o OG resultou em uma redução da resistência à tração de 15,57% e 17,75%, respectivamente. Em baixas dosagens (0,02-0,10%), a elevada proporção de aspecto e a estrutura bidimensional do OG provavelmente colaboraram para o aumento da resistência à tração. No entanto, em dosagens mais altas (0,30-0,50%), o efeito negativo do OG pode ser atribuído à formação de aglomerados que impedem sua distribuição uniforme. Surpreendentemente, a dosagem de 0,02% de OG teve o maior impacto na resistência à tração, desafiando um estudo anterior que determinou uma dosagem ótima de 0,03% de OG. A característica de fratura frágil do concreto compósito com OG, causada por uma fissura significativa próxima à altura média da amostra, também é notável na Figura 10b.
Quanto à resistência à flexão, a adição de OG nas dosagens de 0,02%, 0,05%, 0,10%, 0,30% e 0,50% resultaram numa variação percentual na resistência de 13,16%, 2,51%, 4,28%, -11,09% e -12,42%, respectivamente (Figura 10c). Em dosagens de até 0,10%, a deformabilidade e a natureza fibrosa do OG provavelmente permitiram que o concreto suportasse cargas de flexão adicionais, o que está em consonância com estudos anteriores. No entanto, a aglomeração do OG pode ser um fator que contribui para a redução da resistência à flexão quando as dosagens de OG estavam entre 0,30% e 0,50%. Sob carga de flexão (Figura 10c), a amostra apresentou falha abrupta devido a uma fissura significativa próxima ao meio do vão, semelhante às falhas em tração uniaxial.
Figura 10: Modos de falha típicos dos espécimes GMC sob (a) compressão, (b) tensão e (c) testes de flexão [42]
4.2 Nanosílica
O concreto endurecido é testado para determinar a resistência à compressão das amostras de concreto com nanosílica. São produzidos cubos de 150 mm, contendo, no mínimo, três amostras para cada teste. Depois de moldadas, as amostras passam por um período de cura que pode variar de 3, 7, 28, 56 até 90 dias, e o resultado é obtido a partir da média dos valores de resistência à compressão. A adição de uma pequena quantidade de nanosílica ao concreto provoca um aumento significativo em sua resistência à compressão, pois essa substância atua como um ativador para acelerar a reação pozolânica. Além disso, a finura da nanosílica contribui para o aumento da resistência inicial do material, enquanto o uso de nanosílica com partículas mais grossas resultou em uma resistência final relativamente maior. Em ambos os casos, a dosagem ideal de nanosílica situou-se entre 1,0% e 1,5%. Nazari e Riahi investigaram os efeitos da nanosílica no concreto autoadensável (CAA) de alta resistência. Constatou-se que a resistência do concreto foi comprometida quando a substituição do cimento por nanosílica ultrapassou 4%, uma vez que a quantidade desta substância excedeu a necessidade de reagir com a cal liberada durante a hidratação do material [24].
Outro estudo [29], representado na Tabela 7, apresenta a resistência à compressão de argamassas com diversos teores de sílica de escala submicrométrica (SS) e nanosílica (NS). Observa-se que, à medida que aumenta o teor de SS, a resistência à compressão do corpo de prova é reduzida, enquanto o aumento no teor de NS provoca um aumento na resistência. Por exemplo, comparado ao S0N0, cuja resistência à compressão é de 32,2 MPa em 3 dias, S10N0, S20N0 e S30N0 apresentam reduções de 6%, 14% e 30%, respectivamente. Enquanto isso, S0N1, S0N2 e S0N3 apresentam aumentos de 10%, 17% e 20%, respectivamente. As tendências de mudança da resistência à compressão dos demais são consistentes sob o mesmo teor de NS (1%, 2% e 3%) ou teor de SS (10%, 20% e 30%). Resultados semelhantes foram relatados por pesquisas anteriores [43]. A resistência à compressão do S30N3 curado por 3 dias, 7 dias e 28 dias é 6%, 7% e 19% menor que a do S0N0 e 34%, 19% e 14% maior que a do S30N0. É notável que a NS melhora principalmente a resistência inicial do sistema cimento-SS. Além disso, S30N3 atende aos requisitos dos padrões GB/T 200-2007 e ASTM C150 para Cimento de Alta Resistência (LHC), e GB/T 175-2007 para PO 42.5. Embora não atenda às exigências dos padrões GB/T 200-2007 e GB/T 175-2007 em 28 dias, a resistência é próxima de 42,5 MPa e a SS facilita o desenvolvimento de resistência posterior [29].
A utilização de SS causa a redução do clínquer no sistema cimentício, o que tem um efeito negativo no desenvolvimento da resistência, apesar de o SS conter C2S e C3S. A NS exibe alta atividade pozolânica devido ao seu tamanho de partícula extremamente pequeno. A NS em escala nanométrica preenche os poros das amostras, aumentando a densidade de compactação [46], melhora a zona de transição interfacial (ITZ) entre as partículas [44] e reage com o hidróxido de cálcio (CH) formado durante a hidratação do cimento, gerando géis de silicato de cálcio hidratado (CSH) adicionais com uma baixa relação Ca/Si. Além disso, as partículas de NS fornecem locais de hidratação para o clínquer, promovendo assim a hidratação do cimento e a formação de géis CSH, conforme podemos observar na tabela abaixo (Tabela 7) [45].
Tabela 7: Resistência à compressão de argamassas com adição da nanosílica [29].
Com a adição de nanosílica, observa-se um aumento na resistência à tração do concreto. O uso de 4% de nanosílica em concreto autoadensável resulta em um aumento na resistência à tração devido à formação do gel CSH. Outro fator que contribui para o aumento é a melhoria na ligação entre a matriz resistente e os agregados, além da densificação da zona ITZ. A nanosílica com partículas maiores confere uma resistência à tração ainda maior em comparação com a nanosílica de partículas menores. Além disso, a adição de nanosílica também aumenta o módulo de elasticidade do concreto ativado por álcali (CAA). Esse valor varia entre 24,00 e 28,70 GPa com o teor de nanosílica, enquanto sem a adição da substância, o módulo de elasticidade varia entre 13,80 e 14,53 GPa [24].
A adição de 1,5% de nanosílica aumenta a resistência à flexão do Concreto de Alto Desempenho (HPC) em cerca de 15%. A Figura 11 apresenta o gráfico do desempenho do concreto [24].
Figura 11: Gráfico comparativo do cimento Portland (OPC) e da nanosílica; (a) Resistência à compressão, (b) Resistência à flexão, (c) Resistência à tração dividida, (d) Módulo de elasticidade [24].
4.3 Nanotubos de carbono
No primeiro estudo [47] analisado, foi demonstrado que aproximadamente 40% dos dados avaliaram a incorporação de nanotubos de carbono (NTC) em matrizes cimentícias com relações água/cimento variando de 0,4 a 0,5. Nesse estudo, foi analisada a incorporação de 1,0% em peso de NTC de paredes múltiplas e relações água/cimento de 0,40, 0,50 e 0,60 em argamassas de cimento Portland. Foram avaliadas as resistências à compressão dessas argamassas aos 7, 14 e 28 dias.
Conforme ilustrado na Figura 12, para todas as idades, observou-se um aumento maior na resistência para a argamassa com relação água/cimento de 0,4 em comparação com as argamassas de relação água/cimento de 0,5 e 0,6. Após 28 dias de cura, a resistência à compressão da argamassa com relação água/cimento de 0,4 foi 34%, 8% e 4% maior do que a da argamassa de cimento Portland quando a relação água/cimento era 0,5 e 0,6, respectivamente. Nos sistemas com maior quantidade de água, a redução na resistência à compressão com a incorporação de NTC ocorre devido à dificuldade desses materiais em promover as reações de hidratação do cimento Portland durante as fases iniciais de cura, resultando em ligações fracas entre os produtos de hidratação. Além disso, na argamassa com menor teor de água, os NTC atuam como pontes nos vazios do material de hidratação, aumentando assim a coesão dentro da argamassa de cimento.
Figura 12: Resistências à compressão aos 7, 14 e 28 dias de argamassas com 1,0% em peso de cimento (BWOC) de CNT e argamassas de referência com diferentes relações[47].
Já no segundo estudo [48] analisado, também foi observado que a incorporação de nanotubos de carbono (NTC) é mais eficaz em argamassas com baixas relações água/cimento. Os autores avaliaram as resistências à flexão das argamassas aos 28 dias, utilizando uma adição de 0,1% em peso de NTC e relações água/cimento de 0,35, 0,45, 0,50 e 0,55. Em comparação com as argamassas de referência, as argamassas com adição de NTC apresentaram aumentos em suas resistências à flexão de 27%, 19%, 19% e 21%, respectivamente. Os autores atribuíram esses resultados à incorporação de superplastificante em argamassas com baixas relações água/cimento, contribuindo para a dispersão dos NTC. Além disso, mencionaram que uma maior quantidade de NTC é incorporada em argamassas com baixas relações água/cimento devido à proporção ser determinada pelo peso do cimento.
No entanto, no terceiro estudo [49] analisado, foi observada uma tendência diferente em relação à influência da relação água/cimento em matrizes cimentícias com a incorporação de NTC. Os autores avaliaram as resistências à compressão de argamassas com uma adição de 0,3% em peso de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) e relações água/cimento de 0,50, 0,55, 0,60, 0,62, 0,65 e 0,70. O sistema com uma relação água/cimento de 0,5 apresentou o pior desempenho mecânico nos dias 7 e 28. Foi observada uma maior resistência à compressão na argamassa com uma relação água/cimento de 0,62, com aumentos de 17,5% e 10,3% em comparação com as amostras de referência nos dias 7 e 28, respectivamente. Para justificar esse comportamento, os autores mencionaram que em sistemas com baixas relações água/cimento, se os NTC não estiverem bem dispersos, a água pode ficar retida em aglomerados de NTC, dificultando as reações de hidratação e a formação dos produtos essenciais para o desenvolvimento da resistência da matriz. Os autores também acrescentaram que em compósitos com relações água/cimento mais altas, as soluções possuem uma quantidade maior de água, o que proporciona mais espaço para a dispersão dos NTC, contribuindo para uma distribuição uniforme dos NTC na matriz.
5. Discussão sobre as tendências e divergências encontradas
Em todos os estudos revisados, observou-se uma melhora significativa nos testes de compressão e tração do concreto, o que resultou na redução do consumo de cimento em todos os casos apresentados. No entanto, existem pequenas divergências entre as diferentes nanotecnologias mencionadas, como o grafeno e o carbono apresentando um alto desempenho em testes de compressão, com melhorias entre 50% e 60% [41], enquanto a nanosílica alcançou cerca de 30% [24]. Nos testes de flexão, os valores foram semelhantes, com uma melhoria média de 15%.
Embora esse material apresente benefícios significativos e possa ser utilizado no futuro, seu alto custo acaba dificultando seu uso em larga escala. No entanto, é importante ressaltar que seu impacto positivo no meio ambiente, como a redução das emissões de CO2 na atmosfera, é notório [1,2].
Houve dificuldade devido à falta de padronização nos ensaios, uma vez que cada estudo apresentado utiliza diferentes denominações para o concreto ou cimento, além de descrever suas características de forma distinta. Além disso, foram encontradas algumas abreviações ao comparar os estudos de caso. Além disso, a busca por artigos que estivessem alinhados com o tema e os testes realizados também representou um desafio a ser superado.
6. Conclusão
Com base nas pesquisas realizadas e nos testes de resistência mecânica, foi identificada uma melhora significativa no desempenho do concreto com a adição de nanomateriais. O nano grafeno se destaca principalmente no aumento da resistência à tração, enquanto a nano sílica demonstra melhorias na resistência à compressão e permeabilidade. Os nanotubos de carbono contribuem diretamente para o aumento da resistência à compressão, podendo atingir um aumento médio de 25%.
Esses materiais testados têm o potencial de agregar muito ao desempenho geral do concreto, além de proporcionar benefícios ambientais. No entanto, o custo e a dificuldade de acesso a esses materiais no Brasil podem ser problemas atuais para sua incorporação no concreto convencional.
A nanotecnologia ainda pode ser estudada em maior profundidade, possibilitando o desenvolvimento de diversos aditivos que melhoram as construções. Atualmente, há poucos estudos disponíveis sobre esses materiais, o que dificulta o acesso às tecnologias nanoestruturadas e a realização de experimentos mais aprofundados, não apenas na área do concreto, mas também em outras áreas como eletricidade, mecânica, entre outras.
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