NANOTECNOLOGIA APLICADA AO CONCRETO

Edilaine de Oliveira Andrade RA: 2214. Rodrigo Cavalcanti RA: 2214. AVALIAÇÃO DA NANOTECNOLOGIA APLICADA AO CONCRETO: OVERVIEW DE ESTUDOS ELABORADOS POR PESQUISADORES NACIONAIS E INTERNACIONAIS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Nove de Julho – UNINOVE, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Willyams Bezerra de Mello. Aos nossos amigos, de dentro e fora da Faculdade, pelo carinho e paciência nos dias mais dificieis. AGRADECIMENTOS A Deus por ter nos dado saúde e força para superar as dificuldades. A esta universidade, seu corpo docente, direção e administração que oportunizaram a janela que hoje vislumbramos um horizonte superior, eivado pela acendrada confiança no mérito e ética aqui presente. Ao nosso orientador Willyams Bezerra de Mello pelo suporte que nos acompanhou durante esse ano de 2019, pelas suas correções e incentivos.

Aos nossos pais, pelo amor, incentivo e apoio incondicional. Palavras-chave: Nanotecnologia; nano-tubos; concreto e microestrutura. ABSTRACT Nanotechnology has provided significant innovations in science and engineering, given by structural study of matter in the range of 1 to 100 nanometers - 1 billion of a meter – in other words, on the molecular scale. It is known that, as the particles are reduced, there is a consequent increase in the specific surface. This topic initially seeks to review the current concepts of nanotechnology and the applications of nanomaterials used in the construction industry. A new material that has stood out in this area is the carbon nanotube. Figura 6 - Estrutura Interna de um NCPS. Figura 7 - Disposição Estrutural de um MCPN. Figura 8 - Estrutura Interna de um MCPN. Figura 9 - Concreto Auto adensável Utilizado para Pré Fabricados.

Figura 10 - Exemplo de Utilização de Concreto CCR em Barragens. Tabela 2 - Comparativo de Resistências a Compressão Diametral. Tabela 3 – Comparativo entre Resultados Obtidos. LISTAS DE ANEXOS Anexo 1. Cronograma. Sumário 1. ARGAMASSAS DE ALTO DESEMPENHO. PROPRIEDADES DO CONCRETO. Consistência e Trabalhabilidade. Exsudação. Peso Específico. Zona de Transição. VANTANGENS E DESVANTAGENS DA ADIÇÃO DOS NANOTUBOS NO CONCRETO. Melhorias na Zona de Transição. Preenchimento de Vazios. Hidratação. Vários fatores influenciam na durabilidade de um reparo, como a resistência à tração, resistência à compressão, módulo de elasticidade, retração, aderência, permeabilidade, com o uso de materiais de propriedades controladas consegue-se aperfeiçoar o reparo e adquirir características benéficas ao conjunto. Além disso, é vista como chave para novos desenvolvimentos e ganhos em diversas disciplinas, incluindo materiais de construção, a introdução de materiais mais finos, de ordem micrométrica, como a sílica ativa e a cinza volante, contribui para o preenchimento de vazios (efeito fíler) em estruturas de concreto.

A maior contribuição da nanotecnologia para a construção civil até agora provém de aplicação de nanotubos. Os nanotubos de carbono (NTC) foram descobertos no início da década de 90 por Sumio Iijima. Tratam-se de folhas de grafeno com arranjo hexagonal enroladas, formando cilindros de tamanho nanométrico. Assuntos como o proposto por este trabalho, ainda são pouco difundidos na área, sendo mais propriamente tratados como ciências dos materiais praticáveis apenas em laboratório como tópico tecnológico. No entanto, reparos na construção civil são mais comuns do que se imagina. Segundo Anjos (2016), um estudo revelado na cidade de Itajaí –SC mostra que foram inspecionadas 178 marquises, das quais 84% apresentavam algum tipo de manifestação patológica aparente. As manifestações mais recorrentes foram a presença de umidade (63%), presença de fissuras (59,5%), e o desplacamento do revestimento (52%).

Ou seja, trata-se de um assunto muito comum, em que os custos são relativamente altos, principalmente em caso de uso de argamassas de alto desempenho para reparos estruturais de emergência. Além dos bens propostos em relação a desempenho, tais materiais promovem melhorias ambientais através de menores emissões de dióxido de carbono e necessidade de energia do que a fabricação convencional. Portanto, seria assaz desejável que a indústria da construção civil passasse a se preocupar com essa situação, lançando mão de tecnologias modernas de construção habitacional, que minimizassem tais efeitos, coadunando o nosso habitat com o meio ambiente, através de projetos de construção ecologicamente sustentável. Segundo Almeida (2005) em uma dissertação de defesa à nanotecnologia: “(.

As tendências que já apontam para uma situação de ruptura tecnológica e de mudança profunda na configuração de procedimentos industriais afetarão a produtividade relativa das indústrias, o jogo das vantagens comparativas entre os países, bem como a própria composição do comércio internacional, condenando os países que não se alinharem aos novos padrões a perdas gradativas de competitividade ou até mesmo à esclerose precoce de parques industriais inteiros. Trata-se, portanto, de uma questão de sobrevivência e de preservação dos níveis de bem-estar. Em geral argamassas de reparo utilizam cimento CP-V ARI por necessitarem de um ganho de resistência mais rápido na sua aplicação. Unindo-se esses dois elementos à areia e pedra, obtém-se o concreto, elemento mais do que vital à construção civil.

Gradativamente, com a evidente tendência de estruturas cada vez mais esbeltas, as resistências solicitantes em projetos demandam concretos com elevado fck. Como exemplo, podemos citar o CAD – Concreto de alto desempenho, utilizado nos pilares do edifício E-Tower, em São Paulo, com 125 MPa. Segundo o Doutor em construção civil pela Universidade Federal do Paraná, José A. Vários fatores influenciam no processo de retração, como a composição do traço, relação água/cimento, volume do reparo, tempo de cura, condições climáticas e o tipo de ambiente em que a estrutura está inserida. Figura 1 - Fissura em Concreto. Fonte: https://www. aecweb. com. Ao realizar um reparo em uma estrutura é feita uma recomposição da peça deteriorada com a argamassa de reparo. Com isso parte da armadura fica imersa em argamassa nova e alcalina, enquanto que outra parte permanece envolta com concreto carbonatado e muitas vezes contaminado com outros agentes agressivos às armaduras.

Essa diferença pode induzir a formação de uma pilha eletroquímica, fazendo com que as regiões da armadura que antes estavam intactas, passem a sofrer um processo de corrosão. Isso ocorre devido ao fato do reparo apresentar diferenças em relação à estrutura, relacionadas a diferentes teores de umidade, oxigênio ou íons dissolvidos, fato que favorece a formação de pilhas de corrosão, devido às diferenças de potencial formadas (MEDEIROS e SELMO, 2001). Fluência: trata-se de um aumento na deformação de materiais viscoelásticos, quando submetidos a carregamentos constantes ao longo do tempo.  Propriedades do Concreto: Conhecer as propriedades que são essenciais ao concreto.  Propriedades da argamassa: Conhecer as propriedades que são essenciais à argamassa.  Microestrutura do Concreto: Trazer conhecimento detalhado sobre o assunto que se trata de extrema importância para entender o último capitulo.

 Vantagens e desvantagens da adição de nanotubos em concreto: Trazer de modo microscópico, seguindo a proposta do tópico anterior, sob a tendência de demonstração dos benefícios dos nanotubos e também seus problemas.  Comparação entre demais trabalhos acadêmicos: Já com o caráter finalizador do assunto. Já existem diversos exemplos da nanotecnologia no cotidiano das pessoas, seja no campo tecnológico (celulares e computadores cada vez mais rápidos e menores), no têxtil (tecidos resistentes à sujeira, bactérias e impermeáveis), no setor energético (baterias minúsculas e com carregamento veloz), entre outros. Neste seguimento, existe também uma grande expectativa com relação ao aprimoramento de dispositivos de energia alternativa, utilizando materiais nanoestruturados. Os cientistas têm demonstrado que as utilizações de nanopartículas permitem o desenvolvimento de eletrólitos sólidos de baterias de Lítio (utilizados em baterias de celular e computadores portáteis) com desempenho superior aos atuais.

Novos catalisadores, baseados em materiais nanoestruturados, têm sido desenvolvidos para serem utilizados em células de combustível e na geração de hidrogênio. Uma nova célula solar, baseada em nanopartículas de TiO2, tem apresentado excelente rendimento e um custo de fabricação menor. Segundo HERBST et al. os NTCs de parede simples são mais difíceis de serem sintetizados o que eleva seu custo e praticamente impede sua aplicação em grande escala. Figura 2 - Gráfico Comparativo da Resistência à Tração dos Materiais Fonte: Site UFRGS. Acesso em 12/11/2018. Figura 3 - Tipos de Nanotubos, sendo (a) Paredes Simples e (b) Paredes Múltiplas. Segundo o professor Alexandre Lago, Doutor em Física pelo Instituto für Physik Universität Bielefeld, na Alemanha, Os nanotubos de carbono apresentam uma característica cristalina ao longo de seu eixo, onde a estrutura atômica se repete muitas vezes; entretanto, se olharmos um corte transversal, observaremos uma estrutura de molécula.

Os nanotubos têm, portanto, características híbridas de moléculas e cristais, o que lhes confere propriedades únicas. Alexandre Lago, Dr. em Física) Visualmente, o nanotubo é composto por malhas hexagonais (os quais possuem moléculas de carbono em seus ápices), e são enrolados em forma de tubo – já é observado que a forma com que a folha é enrolada, pode criar diferentes características ao nanotubo, como um metálico ou semicondutor, por exemplo. a) Parede Simples 22 Pode-se considerar que um nanotubo de carbono de parede única é formado pela laminação de uma única camada de grafite (chamada de camada de grafeno) em um cilindro sem costura (folhas de grafeno longas). Figura 8 - Estrutura Interna de um MCPN. Fonte: Aldrichv Material Science 6. NOVAS TECNOLOGIAS DO CONCRETO O concreto vem se revelando um material com características impressionantes, muitas limitações que existiam até algum tempo atrás estão desaparecendo com as novas tecnologias de concreto.

Pode-se listar as novas tecnologias da última década que vem sendo empregadas para melhoria de resistência, retração entre outros:  Concreto de Alto Desempenho CAD / de Alta Resistência CAR: O CAD é o tipo de concreto que têm resistência à compressão maior que 60,0MPa indo até 120 MPa. Na dosagem do CAD, procura-se atingir uma baixa relação água/cimento, o que irá 25 resultar na sua alta resistência característica. tecnosilbr. com. br/concreto-auto-adensavel-principais-caracteristicas-e- aplicacoes-2/. Acesso em 22/1/12018.  Concreto de Pós Reativos CPR: CPR está numa faixa de resistência à compressão entre 200 MPa e 800 MPa (entre 2. Existe facilidade na execução e economia com mão de obra. A adição de fibras de concreto ou polipropileno diminui o problema de fissuração. Figura 10 - Exemplo de Utilização de Concreto CCR em Barragens.

Fonte: http://techne17. pini. A autoclave usa vapor de alta-pressão à temperaturas de cerca de 180°C para acelerar a hidratação do concreto e propiciar uma segunda reação química que dá para ao CCA sua força, rigidez, e estabilidade dimensional. O autoclavamento pode produzir em 8 a 14 horas forças concretas iguais a forças obtidas em um concreto curado em meio úmido durante 28 dias a 21°C. Os produtos finais normalmente são embrulhados em plástico e transportados diretamente para o local de construção. A figura 11 ilustra utilização do CCA como alvenaria. Figura 11 - Ilustração de CCA Fonte: https://sebraeinteligenciasetorial. com. br/concreto-projetado-conheca-as-principais- caracteristicas-e-vantagens\  Concreto com Retração Reduzida CRR: Obtidos através do uso de aditivos redutores de retração (ARR). Aditivos redutores de retração reduzem a tensão superficial da água no interior dos vazios capilares, fenômeno que resulta na minimização das tensões decorrentes da saída da água.

As principais aplicações são peças protendidas – para diminuir a fluência, e pisos e pavimentos - para minimizar a necessidade de juntas.  Concreto com Retração Compensada CRC: Usa cimentos com adições de compostos expansivos que neutralizam a retração – (cimentos - Tipo K - ACI) Adequadamente dosados, devem ter expansão igual ou ligeiramente maior que a retração por secagem prevista. ARGAMASSAS DE ALTO DESEMPENHO Argamassas de alto desempenho já usadas amplamente na indústria contém pó de mármore em unidades microscópicas. Estes materiais mais finos caracterizam melhora no desempenho devido ao preenchimento de vazios na microestrutura, reduzindo porosidade e permeabilidade, e com isso aumentos de resistência, e durabilidade são pretendidos. A utilização de aditivos que controlam a temperatura de hidratação, ou seja, o calor de hidratação pode permitir endurecimento mais consistente.

O emprego de material nanométrico (nanotubos de carbono) ainda não é totalmente difundido para este fim, embora, neste trabalho a ideia é trazê-lo para este fim. São propriedades notáveis das argamassas de alto desempenho:  Resistência à Compressão Axial (fc): As argamassas confeccionadas com AA possuem maiores resistência à compressão axial do que as com areia natural, devido à utilização de um agregado com baixa absorção de água e na granulometria da zona ótima.  Massa Específica Real Seca e Saturada e Índice de Vazios: o índice de vazios é influenciado diretamente pela presença da cal e que a inserção de água tende a alterar esta propriedade. A massa específica saturada apresenta-se superior à seca, demonstrando que os poros internos das argamassas são permeáveis; a inserção de cal reduz os valores das massas específicas uma vez que aumenta da porosidade.

A densidade de massa no estado endurecido apresentou valores bem elevados, o que 33 corresponde a uma argamassa mais densa, com menores volumes de vazios, logo, mais resistente à intempéries e agentes agressivos.  Retração Hidráulica à medida que se aumenta a quantidade água, a retração hidráulica cresce mais expressivamente nas argamassas com cal, sendo necessário um tempo maior para a estabilização das argamassas. PROPRIEDADES DO CONCRETO As propriedades do concreto podem ser classificadas em propriedades do concreto fresco e endurecido, e são elas: Propriedades do Concreto fresco: Trabalhabilidade, consistência e Exsudação. A fim de corrigir a exsudação pode ser controlada pelo proporcionalmente adequado de um concreto trabalhável, evitando-se o emprego de água além do necessário. Às vezes corrige-se a exsudação adicionando-se grãos relativamente finos, que compensam as deficiências dos agregados.

Peso Específico Segundo Almeida (2002), o peso específico do concreto endurecido depende de muitos fatores, principalmente da natureza dos agregados, da sua granulométrica e do método de compactação empregado. Em suma, quanto maior o peso específico dos agregados e sua granulometria, maior será o peso específico do concreto. Pode-se tomar uma média para o concreto simples de 2,3 tf/m³ e para o concreto armado de 2,5 tf/m³. Fonte: Pfeil, W. Concreto Armado, vol 1, Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Rio, 1985. Retração A retração é a diminuição de volume do concreto desde o fim da cura até atingir um estado de equilíbrio compatível com as condições ambientes. Segundo Boletim técnico da ANAPRE (2016) pode-se dizer que o concreto retrai em dois momentos distintos: primeiramente no estado plástico e depois no estado endurecido.

M. Estruturas de Concreto, Vol. Existe uma relação muito consolidada entre a Resistência a tração (em todos os métodos) e compressão. Neste trabalho, tais assuntos não serão tão detalhados, com intenção mais introdutiva no assunto. Resistência à Compressão A resistência à compressão simples é a característica mais importante de um concreto. MONTEIRO, P. J. M. Concreto Microestrutura, Propriedade e Materiais – 3ª edição. Ed. c) Rugosidade Quanto maior a rugosidade, maior será a superfície específica e a sua aderência com a pasta, alterando, portanto, a fluidez. Pasta Composta, basicamente, por 3 fases: sólidos, água e vazios. A fase sólida é união dos 3 produtos principais da hidratação do cimento Portland, C-S-H, Hidróxido de cálcio (Ca (OH)2) e etringita (C3A).

São os produtos conferem as resistências iniciais do concreto, reduzindo sua porosidade. A seguir, na Figura 09, estão apresentados como se comportam os elementos. Há também aumento na retração e fluência (MEDEIROS, 2011). Estudos mostram que, os vazios gerados pelas estruturas interlamelares de C-S- H acabam aprisionando a água de amassamento. Quando a água sai desses vazios, ocorre a retração, e a possibilidade de geração de fissuras na estrutura. Os vazios capilares apresentam sua formação a partir da água de amassamento que não reage, tendo, portanto, muita água presa dentro dos poros (FREITAS, 2010). A viabilidade da redução da água de amassamento esbarra na questão da fluidez, visto que quando menor a relação água/cimento, menor ela será. VANTANGENS E DESVANTAGENS DA ADIÇÃO DOS NANOTUBOS NO CONCRETO Diante de todos os elementos expostos, existem vários pontos que podem ser avaliados quanto à melhora na adição dos nanotubos.

Cita-se novamente, o aumento na resistência à compressão, e na resistência à tração por compressão diametral. Em ensaios realizados por L. F. C Silva e J. Hidratação Os NTC, segundo Li et al. quando presentes na fase de hidratação do concreto impede o crescimento de alguns cristais, como o hidróxido de cálcio, favorecendo usa resistência. Embora seja um dos principais produtos da hidratação da pasta de cimento, como apresentador anteriormente, os Ca (OH)2 muitas vezes acabam se constituindo de grandes 46 cristais prismáticos, favorecendo o aparecimento de vazios e retenção de água. Além disso, o elevado teor deste hidróxido na pasta pode reduzir a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos. A adição de NTC a concretos tem como objetivos melhorar a sua resistência à tração, e um aumento na variabilidade granulométrica, possibilitando uma diminuição na porosidade e consequente melhora na durabilidade das estruturas.

Segundo KAGAN et al. a exposição por vias aéreas de nanotubos de carbono provoca inflamação nos pulmões, diminuição da capacidade respiratório e aumenta a probabilidade de infecções. Tendo em vista os recentes estudos, é necessária uma correta manipulação dos nanotubos de carbono a fim de preservar a integridade física das pessoas envolvidas com essa área de pesquisa. É recomendável que a manipulação se faça com o uso de luvas e dispositivos de extração de ar para evitar a sua inalação. Cuidados estes iguais aos desprendidos na manipulação de materiais de toxicidade desconhecida. Levando em conta os resultados obtidos pelos autores acima citados, o presente estudo tinha como objetivo obter melhoras mecânicas, principalmente em relação à resistência à tração, e uma menor porosidade da argamassa, devido à maior variabilidade granulométrica.

Porém, conforme mostram os resultados, não houve melhora nas propriedades mecânicas avaliadas com a adição dos NTC. A Tabela 31 mostra o comparativo entre os resultados obtidos nesta pesquisa (BOROWSKY et al. e os resultados obtidos pelos autores citados. Tabela 3 – Comparativo entre Resultados Obtidos Comparativo Entre Pesquisas Autores Relação a/c Porcentagem de NTC Compressão Tração Absorção de Água MELO et al. A microestrutura possui diversas características específicas, destacando-se, principalmente, os seus vazios, e as claras divisões entre agregados e micro- partículas, ou seja, a zona de transição. Nestes contextos, os NTC, sejam de parede simples, ou múltipla, atuam de diferentes maneiras positivas à estrutura. Nas zonas de transição, estes micromateriais atuam como uma espécie de ligação entre agregado e outros elementos da estrutura.

Sendo assim, fortalece estas “vias” da microestrutura, que são classificados como zonas de fragilidade. Por outro lado, também desempenhando essa função de ligação entre os componentes, evita que haja a dispersão dos agregados, que é uma tendência do concreto fresco, causando a segregação e gerando novas áreas de vulnerabilidade da estrutura.  Testar a adição dos NTC funcionalizados em argamassas de reparo, e em proporções diferentes.  Testar a adição de nanotubos de carbono em argamassas com o uso de diferentes surfactantes para auxiliar na dispersão deste material. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS  Kumar Metha e Paulo J. M. Monteiro Concreto, Microstucture, Properties and Materials, McGraw-Hill, 2006.  P. KUMAR METHA e PAULO, J. M. Monteiro, Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais, São Paulo: Pini, 1994.  MARQUES FILHO, José.

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Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Paraná, Curitiba.  MEDEIROS M. H. G. Estudo da Fissuração Associada à Retração em Argamassas para Reparo em Estruturas de Concreto. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004;  SILVA, L. c. f; PAULA, J. Science Direct, China, Carbon 43 (6) 1239–1245, 2005;  IMA, Márcio Dias. Nanotubos de Carbono Obtidos no Lancer por deposição Química de Vapor Catalisada. Disponível em: http://www. ufrgs. br/lacer/gmn/nanotubosbr. usp. br/teses/. TESE_MARCELO_RASSY_TEIXEIRA_EDREV. pdf Acesso em: 30 abr.  Disponível em: http://www.