Projeto PAIC WLADIMIR 1

Prévia do material em texto

Universidade do Estado Amazonas Escola Superior de Tecnologia Curso de Engenharia Civil
	
Produção de nanopozolanas em escala laboratorial
Orientadora: Samantha Coelho Pinheiro
Co-orientador: Otávio Augusto Paiva
Bolsista: Wladimir Odivar Gualberto Magalhães Júnior
-2022-
Resumo
Dentre as pozolanas, há uma categoria de alto desempenho vastamente estudada, que são as nanopartículas de sílica. Essas nanopartículas podem ser produzidas em escala laboratorial mediante a utilização de reagentes químicos apropriados, em proporções adequadas e em condições de mistura especifica. Em relação à síntese das nanopartículas, será utilizado o método de sol-gel, utilizando como precursor molecular o metassilicato de sódio (composto químico mais acessível economicamente) e o ácido clorídrico. A caracterização das nanopartículas obtidas, será realizada a partir dos ensaios de espectroscopia por energia dispersiva, difração de raio-x e perda ao fogo. Com a análise destes ensaios será possível determinar a pureza e a estrutura cristalina das amostras. Fatores estes, preponderantes para sua aplicação como nanopozolanas.
Palavras-chave: nanopartículas de sílica; sol-gel; nanopozolanas
1. Introdução
a. Situação: O concreto e os materiais cimentícios são muito consumidos no mundo, a construção civil em conjunto a sociedade cresceu de uma forma exponencial. De acordo com o professor Vahan Agopyan da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, a construção civil é responsável pelo consumo de 40% a 75% da matéria-prima produzida no planeta, tendo atualmente a sua produção em déficit pelo quinto trimestre consecutivo pela falta de materiais de construção e por conta do aumento dos custos que continuam sendo os principais problemas da indústria da construção, além que, o seu desenvolvimento em nível nacional, verificou-se que na última década houve uma elevação de 52,10% no setor, ou seja, uma ascensão média anual de 4,28%; e, nos últimos 20 anos, esse crescimento foi de 2,82%. Frente a esse crescimento, a ciência começou a utilização de nano pozolanas, fillers e outros aditivos minerais que também vem acompanhando esta evolução contínua, em especial as nanopozolanas, que tem o objetivo de melhorar o desempenho mediante o consumo de hidróxido de cálcio durante o processo de hidratação do cimento (Globo Ciência, 2014).
b. Problema: Desde os pioneiros estudos sobre pozolanas e nanopozolanas, a construção civil sofre com a capacidade difundir a produção e aplicação das nanopartículas de forma padronizada e com embasamento científico. E assim, observa-se um desconhecimento local da manipulação de formas de produção de nanoparticulas e sua avaliação como nanopozolanas. O que expõem a lacuna no conhecimento a respeito das formas de produção e caracterização dessas nanopartículas.
c. Justificativa: 
O método de sol gel envolve a síntese de uma rede de polímero inorgânico, por meio de reações químicas em solução baixas temperaturas. Neste processo, uma suspensão coloidal ou solução é transformada em gel através do estabelecimento de ligações entre as partículas ou entre amostras moleculares (HENCH e WEST, 1990). Com base nos estudos realizados por ILER (1976), CHAVES, (2008) e KALAPATHY et al. (1999, 2000a, 2002) o processo de formação do gel, suas características e fatores que governam o fenômeno podem ser discutidos, como a seguir.
A sílica gel é formada mediante um processo de polimerização que ocorre basicamente em três etapas: polimerização de monômero para formar partículas, crescimento de partículas e união de partículas em cadeias ramificadas. Essas cadeias formam redes que se estendem pela solução, o que causa um aumento de viscosidade até a formação do gel.
O processo de formação do gel está ilustrado na Figura 1. Durante os primeiros instantes em que o silicato de sódio (Na2SiO3) entra em contato com o ácido clorídico (HCl) ocorre a formação de ácido silícico, Si(OH)2. O ácido silícico, em soluções com concentrações menores que 2 mmol/l, permanece como monômero e, em soluções concentradas é termodinamicamente instável, tendendo a polimerizar e formar ácido polissilícico de baixo peso molecular, que evolui até a formação de partículas coloidais.
Figura 1– Processo de formação do gel.
As partículas coloidais iniciam sua formação com a condensação de um monômero, formando um dímero em seguida. Esta estrutura continua o processo de condensação através das hidroxilas, com a formação das ligações siloxanas (Si-O-Si), até atingir o tamanho de uma partícula coloidal, descrita pela Equação a seguir:
2Si(OH)4 à (HO)3Si-O-Si(OH)3 + H2O(l)
O termo "sílica coloidal" neste caso é aplicado a dispersões estáveis ou sóis de partículas discretas de sílica amorfa. O sol é uma dispersão estável de partículas coloidais sólidas em um líquido. Estável, neste caso, significa que as partículas sólidas não se aglomeram a uma taxa significante. Se o líquido for água, a dispersão é conhecida como um aquasol ou hidrosol. Se o líquido for um solvente orgânico, a dispersão é chamada um organosol (BERGNA e ROBERTS, 2006).
O sol, caso não esteja em condições estabilizadas, sofre um processo de agregação, onde as partículas coloidais se ligam e formam cadeias ramificadas, resultando em uma rede tridimensional sólida que retém o líquido nos capilares - o gel. A Equação a seguir ilustra esse processo.
Si(OH)4(aq) + Si(OH)4(aq) à 2SiO2(gel) + 4H2O
[sílica coloidal] [sílica gel]
À medida que a condensação avança, redes tridimensionais de siloxano (Si-O-Si) são formadas e as partículas crescem, de modo que, a viscosidade do meio reacional aumenta resultando em um gel denominado hidrogel ou álcogel (se o solvente utilizado for álcool). O aumento do teor de água favorece a formação de grupos silanóis em relação a grupos Si-O-Si (BRAMBILLA, 2007).
Durante a transformação do sol em gel, a viscosidade do material, primeiramente, sofre um discreto aumento que, em seguida passa por uma súbita aceleração até que a solidificação acontece no que se denomina o “ponto de gel”. Neste ponto, o menisco da amostra não se movimenta quando o recipiente é inclinado (ILER, 1976).
O processo de formação do sol se encerra quando as partículas atingem um tamanho macroscópico. HENCH e WEST (1990) afirmaram que não é possível definir, com precisão, o ponto onde as partículas do sol mudam da forma líquida para o gel elástico.
A produção de sílica gel pelo processo sol gel pode utilizar produtos químicos como o tetraetilortosilicato (TEOS) ou materiais com alto teor de SiO2 (resíduos agroindustriais). Com o método, a sílica amorfa contida em alguns materiais (chamados no processo sol gel como precursores moleculares) pode ser solubilizada ao entrar em contato com uma solução de hidróxido de sódio com pH maior que 10. Após a solubilização com hidróxido de sódio, forma-se silicato de sódio, Na2SiO3 e, com a acidificação do Na2SiO3 forma-se sílica gel, na forma monomérica, Si(OH)4, e cloreto de sódio (NaCl) (CHAVES, 2008), Equação abaixo.
Na2SiO3 + H2O + 2HCl à Si(OH)4 + 2NaCl
Desta forma, pode-se observar que é possível a produção de nanopartículas a partir da manipulação de reagentes químicos em escala laboratorial. Observando também a aplicação dessas partículas como nanopozolanas, podemos afirmar que as nanopartículas causam maiores benefícios aos materiais cimentícios em comparação as pozolanas convencionais de tamanho na escala micro. Através da Figura 2 pode-se visualizar melhor a diferença de tamanho entre as nanopartículas e os materiais convencionais, e como essa redução de tamanho incrementa a área superficial de cada um. 
Figura 2 – Variação da área superficial em função do tamanho da partícula de materiais convencionais e nanomateriais (SOBOLEV et al., 2009)
Dentre as pozolanas, há uma categoria de alto desempenho vastamente estudada, são as nanopartículas de sílica. As nanossílicas são estudadas por diversos profissionais pelo mundo, como por exemplo, Abhilash (2021) e (Li, 2020). Os estudos indicamque a nanossílica atua quimicamente, agindo como pozolana de alta reatividade, e causa uma modificação física, atuando como filler. Na atuação química, a nanossílica reage rapidamente com o hidróxido de cálcio (Ca (OH)2) liberado durante a hidratação do cimento, formando compostos resistentes de silicato de cálcio hidratado (C-S-H), que proporcionam resistência e durabilidade a matriz de cimento. Na atuação física, as nanopartículas atuam como filler, preenchendo os espaços intersticiais entre os grãos de cimento, resultando em um refinamento da microestrutura. Além disso, o efeito filler está ligado à formação de pontos de nucleação que contribuem para o aumento dos produtos de hidratação de cimento. Sendo assim, as duas formas de atuação contribuem para uma estrutura mais densa, menos porosa e, consequentemente, com menor permeabilidade e maior resistência.
Entretanto, para a aplicação dessas nanopartículas é necessário garantir elevados teores de pureza e estrutura amorfa, para que assim, a reação pozolância ocorra em sua plenitude. O que torna importante a determinação dessas características logo após a produção da nanosílica em laboratório.
d. Pergunta de pesquisa: É possível implantar o processo de produção de nanossílica nos laboratórios da Escola Superior de Tecnologia da UEA a fim propor sua aplicação como nanopozolana?
e. Hipóteses: Ao analisar os estudos já realizados, sustentamos a hipótese de que a produção de nanopartículas de sílica é factível na Escola Superior de Tecnologia da UEA e as amostras produzidas apresentarão grande potencial para emprego como nanopozolanas. 
2. Objetivo(s)
Geral: Implantar um método de produção de nanossílicas em escala laboratorial e caracterizá-las com fins de emprego como nano-pozolanas em materiais à base de cimento.
a. Específicos: 
i) Implantação do método sol-gel;
ii) Determinação de rendimento da gelificação;
iii) Determinação da pureza das nanossílicas;
iv) Determinação da estrutura cristalográfica das nanossílicas.
3. Materiais e Métodos
Análise quantitativa e qualitativa da síntese de nanopartículas de sílica com a utilização do Metassilicato de sódio (Na2SiO3), água deionizada (H2O) e do ácido clorídrico 37% (HCl). Serão adquiridos através da compra de terceiros tendo o seu respectivo laudo de comprovação de autenticidade de cada material. Em seguida, os mesmos serão armazenados em local seguro, livre de interferências externas do ambiente até o momento de utilizar na síntese de partículas, que ocorrerão em três partes no laboratório de engenharia química da Escola Superior de Tecnologia (EST) da Universidade do Estado do Amazonas (UEA).
Caso haja inconformidades com o material enviado por conta de logística, outra quantia do material terá que ser adquirida com o mesmo ou com um diferente fornecedor.
Primeiramente será realizar os cálculos para o manuseio do metassilicato de sódio, dissolvendo-o em água deionizada, obtendo soluções com diferentes concentrações em massa (massa de SiO2/massa total), este processo é realizado com o auxílio de uma balança, um béquer e um balão volumétrico. A concentração mássica é referente à massa da sílica, e não à massa de metassilicato de sódio. Após dissolver o metassilicato, partiremos para os cálculos de dissolução do ácido clorídrico que será diluído com água deionizada utilizando apenas um béquer e um balão-volumétrico, obtendo uma solução em massa de ácido clorídrico. 
Em seguida, a solução de silicato de sódio será titulada com as soluções diluídas de ácido clorídrico, a temperatura controlada e com uma velocidade de agitação de 300 rotações por minuto. Após a adição do ácido clorídrico, a mistura começará a mudar de aspectos físicos de incolor, para a formação de um gel branco, além do início do processo de hidrólise do silicato de sódio.
Após a obtenção do gel de sílica, será realizada a estimativa da concentração de nanopartículas na dispersão e os ensaios de caracterização da nanossílica obtida: Espectroscopia por dispersão de elétrons, Difração de raio-x (DRX) e o de perda ao fogo, respeitando a norma ABNT NBR 5743 (1989).
A composição química das amostras foi determinada em espectrômetro de fluorescência de raios X por energia dispersiva, EDX. As análises são de sódio a urânio, com tubo de Rh (ródio) e resfriamento com nitrogênio. As amostras serão previamente secas em estufa a 100 oC por 24 horas e mantidas a 38 oC até o momento do ensaio.
Para determinar a estrutura amorfa ou cristalina das amostras será utilizado um difratômetro. Com radiação monocromática de cobre (Cu Kα, λ = 1,5418 Å), operando a 30 kV e 40 mA, com varreduras de velocidade angular de 0,02º, com 1 s de aquisição e intervalo de medida entre os ângulos de Bragg (2θ) de 8º e 60º. As amostras analisadas serão previamente moídas em almofariz e posteriormente compactadas no porta-amostra do equipamento. 
A perda ao fogo indica o teor de material que pode ser perdido pela amostra quando a mesma é queimada até 950 oC. As amostras serão previamente secas em estufa por 24 horas em temperatura de 80 oC. As massas serão determinadas em balança analítica de quatro casas decimais. O ensaio consiste, basicamente, na queima da amostra em forno mufla à temperatura de 950 °C, com taxa de aquecimento de 10 °C/min e tempo de residência de 15 min. 
4. Resultados esperados
· Espera-se ao final do projeto implantar o método sol-gel de produção de nanossílica; 
· Obter ao final alto rendimento de extração;
· Produzir sílica de elevada pureza;
· Produzir sílica com estrutura amorfa.
5. Viabilidade técnico-financeira
Dentre os projetos desenvolvidos no Grupo de Pesquisa de Materiais e Sistemas Construtivos Não Convencionais, cadastrado no Diretório dos Grupos de Pesquisa no Brasil, são realizados estudos com diversos materiais empregados na Engenharia Civil. Dispomos de base científica para desenvolver a pesquisa proposta e assim contribuir com o desenvolvimento científico e tecnológico da construção civil, do discente e com a dissipação do conhecimento na sociedade. Além do preparo da base científica e acadêmica necessária para o ingresso em cursos de mestrado em nossa área de atuação.
 O projeto terá acesso a todos os equipamentos necessários para desenvolvimento da pesquisa, não sendo necessário qualquer aporte financeiro e não gerará ônus para Universidade do Estado do Amazonas. Além disso, o projeto contará com parcerias para uso de equipamentos e de estrutura do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Estado do Amazonas, do Núcleo de Ensino e Pesquisa em Materiais e Tecnologias de Baixo Impacto Ambiental na Construção Sustentável (NUMATS) da Universidade Federal do Rio de Janeiro e do Núcleo de Materiais Sustentáveis e Avançados (NUMASA) da Universidade do Estado do Amazonas.
6. Cronograma
	Atividade
	ago/22
	set/22
	out/22
	nov/22
	dez/22
	jan/23
	fev/23
	mar/23
	abr/23
	mai/23
	jun/23
	jul/23
	Revisão das normas, materiais e instrumentos.
	X
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Compra, preparação e análise dos materiais.
	
	X
	X
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Início da síntese de nanopartículas.
	
	
	
	X
	X
	
	
	
	
	
	
	
	Determinação do rendimento por litro.
	
	
	
	
	
	X
	X
	
	
	
	
	
	Teste de EDS, DRX e perda de fogo.
	
	
	
	
	
	
	
	X
	X
	
	
	
	Produção do Relatório final.
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	X
	X
	X
7. Referências bibliográficas
A
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, “Cimento Portland – Determinação da perda ao fogo”: NBR 5743. Rio de Janeiro, 1989.
B
BERGNA, H. E. e ROBERTS, W. O., “Colloidal silica: Fundamentals and Applications”. Surfactant Science Series, v. 131, 2006.
BRAMBILLA, R. Sílicas funcionalizadas com octadecilsilano pelos métodos sol-gel e grafting. Dissertação, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2007.
C
CHAVES, M. R. M., Preparação de Sílica Organofuncionalizada a Partir de Casca de Arroz, com Capacidade Adsorvente de Íons Metálicos, Tese de D.Sc., Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil, 2008.
G
Globo Ciência (2014),“Construção Civil consome até 75% da matéria-prima do planeta - Mão de obra e novas tecnologias podem reduzir o consumo de materiais”, Rio de Janeiro, Disponível em: http://redeglobo.globo.com/globociencia/noticia/2013/07/construcao-civil-consome-ate-75-da-materia-prima-do-planeta.html. Acesso em: 15 março 2022.
H
HENCH, L. L. WEST, J.K.. “The sol-gel process”. Chemical Review. 90 (1), 33, 1990.
I
ILER, R. K., “The chemistry of Sílica - Solubility, polymerization, colloid and surface properties, and Biochemistry”, New York, John Wiley & Sons, 1976.
K
KALAPATHY, U. e PROCTOR, A., “Silica Gel from Rice Hull Ash: Preparation and Characterization”, Cereal Chemistry, v. 75, pp. 484–487, 1999.
KALAPATHY, U., PROCTOR, A., SHULTZ, J., “A Simple Method for Production of Pure Sílica from Rice Hull Ash”, Bioresource Technology, v. 73, pp. 257–262, 2000a.
KALAPATHY, U., PROCTOR, A., SHULTZ, J., “An Improved Method for Production of Silica From Rice Hull Ash”, Bioresource Technology, v. 85, pp. 285–289, 2002.
L
Laboratório de Solidificação Rápida - LSRAP (2020) "Espectrômetro de fluorescência de raios-x dispersivos de energia.”, Centro de Tecnologia - CT, Disponível em: http://www.ct.ufpb.br/lsr/contents/paginas/equipamentos-1/espectrometro-de-fluorescencia-de-raios-x-dispersivo-de-energia-1. Acesso em 17 março 2022
Li, Guoxin; Liu, Qingfeng; Niu, Mengdie; Li, Cao; Nan, Bing; Shi, Chen (2020), “Characteristic of silica nanoparticles on mechanical performance and microstructure of sulphoaluminate cement/ordinary Portland cement binary blends”, ScienceDirect, Dísponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182030163X. Acesso em 17 março 2022.
M
Miguel Vasco Lopes, João (2020) “Síntese e aplicação de nanopartículas de sílica, a partir de silicato de sódio, em argamassas.”, Universidade De Coimbra, Disponível em: https://eg.uc.pt/bitstream/10316/90185/1/Dissertação_João_Lopes_Final.pdf. Acesso em 17 março 2022
N
Nascimento, Luciano (2021), “Falta de material e custos impactam a indústria da construção”, Repórter da Agência Brasil, Brasília, Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com.br/economia/noticia/2021-10/falta-de-material-e-custos-impactam-industria-da-construcao. Acesso em: 15 março 2022
P
P.P., Abhilash; Kumar Nayak, Dheeresh; Sangoju, Bhaskar; Kumar, Rajesh; Kumar, Veerendra (2021) “Effect of nano-silica in concrete; a review”, ScienceDirect, Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821001070. Acesso em 17 março 2022.
S
SOBOLEV, K., FLORES, I., TORRES- MARTINEZ, L.M., et al., “Engineering of SiO2 Nanoparticles for Optimal Performance in Nano Cement-Based Materials”, In: Bittnar, Z.; Bartos, P.J.M.; Nemecek, J.; Smilauer, V.; Zeman, J., (editors). Proceedings of the NICOM3, Nanotechnology in Construction 3, XIV, pp. 139 – 148, 2009.
Souza Ferreira Nogueira, Geovana; Schwantes-Cezario, Nicole; Cristina Souza, Isabela; Dias Cavaleiro, Caroline; Fernanda Porto, Maria; Martins Toralles, Berenice (2018) “Incorporação de nanossílica em compósitos cimentícios”, Scielo Brasil, Disponível em: https://doi.org/10.1590/S1517-707620180003.0516. Acesso em 17 março 2022.
V
Vieira, B. A.; Nogueira, L. (2018), “Construção civil: crescimento versus custos de produção civil”, Sistemas & Gestão, Vol. 13, No. 3, pp. 366-377, disponível em: http://www.revistasg.uff.br/index.php/sg/article/view/1419. Acesso em: 15 março 2022.
	
	
	
NanosílicaSílica
Precipitada
SílicaAtivaMatacaulimAditivosminerais
finamentemoídos
CimentoPortlandCinza
Volante
AgregadosFinosAreiaNaturalAgregado
Graúdo
ConcretoConvencional
Concretode Alta Resistência/Alta Performance
Concretode Nanoestruturado
1
TamanhodaPartícula(nm)ÁreaSuperficial (m
2
/kg)