Effect of Carbon Nanotubes (CNTs) aspect ratio on the rheology, thermal conductivity and mechanical performance of Portland cement paste pt

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Efeito da proporção de aspecto dos Nanotubos de Carbono 
(CNTs) na reologia, condutividade térmica e desempenho mecânico de
Pasta de cimento Portland
Efeito da relação de aparência dos nanotubos de carbono (NTCs) na 
reologia, condutividade térmica e desempenho mecânico de pastas de cimento Portland
a Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Departamento de Engenharia Civil, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Civil –
b
Paulo Ricardo de Matosa, cÿ
Eduardo Batistona,b ÿ 
Fernando Pelissera ÿ
Philippe Jean Paul Gleizea ÿ
Paula Mezzomoa ÿ
Rev. IBRACON Estrut. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 2021
Recebido em 13 de outubro de 2020
ARTIGO ORIGINAL
Aceito em 01 de dezembro de 2020
Conflito de interesses: Nada a declarar.
Rev. IBRACON Estrut. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 2021| https://doi.org/10.1590/S1983-41952021000500010
Autor correspondente: Paulo Ricardo de Matos. E-mail: paulorm.matos@gmail.com;paulo.matos@ufsm.br
Apoio financeiro: Nenhum.
Este é um artigo de Acesso Aberto distribuído sob os termos da Licença de Atribuição Creative Commons, que permite uso, distribuição e reprodução irrestrita em 
qualquer meio, desde que o trabalho original seja devidamente citado.
1/12
PPGEC, Florianópolis, SC, Brasil
Resumo: Nanotubos de carbono (CNTs) são potenciais candidatos para melhorar o equilíbrio térmico do concreto, reduzindo 
tensões internas causadas pelo aquecimento diferencial em elementos maciços de concreto. Quanto maior a proporção de 
aspecto (AR) e o conteúdo de CNTs, maior será a condutividade térmica esperada (TC). Porém, AR elevado pode prejudicar a 
dispersão adequada dos CNTs na matriz cimentícia, prejudicando potencialmente a trabalhabilidade e a resistência mecânica do 
compósito. Este trabalho avaliou o efeito do AR (35, 250, 900 e 3500) e do teor (0,05% e 0,10%) de CNTs no CT, na reologia 
(squeeze flow) e na resistência mecânica da pasta de cimento. Os resultados mostraram que 0,05% de CNT aumentou o CT da 
pasta em até 15% para AR de 250, mas aumentar ainda mais o AR reduziu progressivamente o CT do compósito. Por sua vez, 
a incorporação de 0,10% de CNT não resultou em ganhos significativos de CT. A tensão de escoamento e a viscosidade das 
misturas aumentaram progressivamente à medida que o teor de CNTs e AR aumentaram, em até 119% em comparação com a 
pasta de cimento simples. Não foram observadas diferenças significativas na resistência à compressão aos 28 dias com 
incorporação de 0,05% de CNT, enquanto 0,10% de CNT levou a ligeiras reduções de resistência para algumas misturas. Em 
relação à resistência à flexão, a incorporação de 0,05% de qualquer um dos CNT diminuiu a resistência das misturas, enquanto 
a incorporação de 0,10% geralmente compensou esta redução, exceto para a menor proporção de aspecto. No geral, os CNTs 
com AR intermediário (em torno de 250) foram eficazes na melhoria da condutividade térmica da pasta de cimento, aumentando-
a em 15% com teor relativamente baixo (0,05%) e não prejudicaram significativamente o desempenho fresco e mecânico do 
compósito.
Palavras-chave: nanotubos de carbono, razão de aspecto, cimento Portland, reologia, condutividade térmica.
Quanto maior a relação de aspecto (RA) e o teor de NTCs, maior será a condutividade térmica (CT) esperada.
Universidade Comunitária da Região de Chapecó – UNOCHAPECÓ, Departamento de Engenharia Civil, Chapecó, SC, Brasil c Universidade Federal 
de Santa Maria – UFSM, Santa Maria, RS, Brasil
Porém, um RA elevado pode prejudicar a dispersão adequada dos NTCs na matriz cimentícia, prejudicando negativamente a 
trabalhabilidade e a resistência mecânica do composto. Este estudo avaliou o efeito do RA (35, 250, 900 e 3500) e teor (0,05% 
e 0,10%) de NTCs na CT, reologia (squeeze flow) e resistência mecânica das pastas de cimento. Os resultados mostraram que 
a incorporação de 0,05% NTC aumentou o CT da pasta em até 15% para um RA de 250, mas o aumento do RA deliberadamente 
progressivamente a CT do composto. Por sua vez, a incorporação de 0,10% NTC não resultou em ganhos de CT. A tensão de 
escoamento e a consistência das misturas aumentadas progressivamente com o aumento do teor de NTC e da RA, em até
Resumo: Nanotubos de carbono (NTCs) são candidatos potenciais para melhorar o balanço térmico do concreto, reduzindo o 
desgaste interno causado pelo aquecimento diferencial em elementos maciços de concreto.
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https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-7683-7718
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
https://orcid.org/0000-0002-6113-5473
Como citar: E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos, “Efeito da proporção de aspecto dos Nanotubos de Carbono (CNTs) 
na reologia, condutividade térmica e desempenho mecânico da pasta de cimento Portland”, Rev. .Estrut IBRACON. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 
2021, https://doi.org/10.1590/S1983-41952021000500010
119% em comparação com a pasta de cimento sem NTCs. Nenhuma diferença significativa foi observada na 
resistência à especificação de 28 dias com incorporação de 0,05% NTCs, enquanto 0,10% NTCs levou a 
pequenas reduções de resistência para algumas misturas. Em relação à resistência à flexão, a incorporação 
de 0,05% de qualquer um dos NTCs sofreu a resistência das misturas, enquanto a incorporação de 0,10% 
geralmente compensa essa redução, exceto pela RA mais baixa. No geral, os NTCs com RA (~250) foram 
eficazes para melhorar a condutividade térmica da pasta de cimento, aumentando-a em 15% com teor 
relativamente baixo (0,05%), enquanto não prejudica significativamente o desempenho fresco e mecânico do 
compósito.
Palavras-chave: nanotubos de carbono, relação de aspecto, cimento Portland, reologia, condutividade térmica.
A maioria dos esforços de pesquisa concentrou-se na influência dos CNTs no desempenho mecânico e na durabilidade de 
compósitos cimentícios, mas poucos estudos investigaram seu efeito nas propriedades térmicas. Na verdade, até onde sabemos, 
não existem estudos que investiguem o efeito da relação de aspecto dos CNTs na condutividade térmica do compósito cimentício. 
Devido à alta condutividade térmica dos CNTs (cerca de 750 W/mÿK [19]), eles têm sido usados para aumentar a condutividade 
térmica de fluidos de aquecimento ou resfriamento [20]. Além disso, sua proporção de aspecto varia de 20 a 10.000, tornando os 
CNTs uma escolha interessante para redes condutoras elétricas/térmicas ou de percolação em cargas mais baixas. Embora valores 
baixos de condutividade térmica sejam frequentemente desejados para materiais de construção (por exemplo, para melhorar o 
isolamento térmico), a alta condutividade térmica pode ser usada como uma ferramenta para melhorar o equilíbrio térmico de 
grandes volumes de concreto [21], facilitando o resfriamento do interior de maciços. elementos de concreto (ex. barragense 
elementos de fundação) e evitando o aparecimento de tensões internas causadas por aquecimento diferencial [22]. Há relatos de 
aumentos substanciais na condutividade térmica com a incorporação de CNTs em compósitos epóxi [23]–[25] e poliuretano [26]. 
Assim, a incorporação de CNTs na matriz de cimento Portland pode aumentar a condutividade térmica do compósito.
A síntese e montagem de materiais com dimensões na faixa de 0,1–100 nm oferecem possibilidades para o desenvolvimento de 
materiais com novas funções e propriedades inteligentes não disponíveis atualmente [1]. O concreto pode ser nanoengenhado 
incorporando adições nanométricas para controlar o comportamento do material e adicionar novas propriedades, ou enxertando 
moléculas em partículas de cimento, fases de cimento, agregados e aditivos que podem fornecer funcionalidade de superfície para 
promover interações interfaciais específicas [2], [3]. Além disso, estudos recentes relataram a síntese de nanopartículas diretamente 
no clínquer Portland [4].
de pasta de cimento (através do ensaio squeeze flow), além da caracterização do desempenho mecânico.
Nanotubos de carbono (CNTs) são candidatos potenciais para uso como nanorreforços em materiais à base de cimento Portland 
[5]. Apresenta extraordinária resistência (resistência à tração na faixa de GPa) e módulo de elasticidade na ordem de TPa, além de 
possuir propriedades eletrônicas e químicas únicas [1]. Como resultado, vários trabalhos mostraram que os CNTs melhoraram a 
resistência à compressão [6]–[10], resistência à tração/flexão [7], [11]–[14] e módulo de elasticidade [8], [15] de materiais cimentícios. 
composto. Além disso, os CNTs podem melhorar a durabilidade do compósito principalmente reduzindo a porosidade da matriz 
cimentícia [10], [16]–[18].
Recentemente, a nanotecnologia tem ganhado muita atenção para pesquisas no desenvolvimento de materiais com propriedades 
únicas. A nanoengenharia (ou nanomodificação) de materiais à base de cimento Portland é um campo emergente rapidamente.
Assim, este trabalho investigou o efeito da razão de aspecto dos CNTs na condutividade térmica e nas propriedades reológicas.
1. INTRODUÇÃO
Em relação ao desempenho no estado fresco dos compósitos cimentícios reforçados com CNT, a incorporação de nanotubos 
tende a afetar negativamente a fluidez dos materiais. No geral, a área superficial específica muito alta dos CNTs e sua tendência de 
agrupamento tendem a reduzir a fluidez da pasta de cimento quando os CNTs são adicionados [27]. Contudo, tal perda de fluidez 
pode ser superada com a incorporação de superplastificante como confirmado por Skripkiunas et al. [28]. Nesse contexto, a maioria 
dos estudos investigou o efeito do mecanismo de dispersão e do teor de CNTs no desempenho no estado fresco da pasta de 
cimento, enquanto o efeito da proporção de aspecto dos CNTs foi pouco investigado. Collins et al. [29] investigaram tal efeito através 
do mini slump test, mas este é um teste empírico e pode levar a erros na estimativa das propriedades reológicas do material.
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
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2.2 Preparação da amostra
Um cimento Portland comum (CP IS 32 [32]), um superplastificante à base de policarboxilato (com densidade de 1,09 g/cm3
e teor de sólidos de 30,5%) e água destilada foram utilizadas para produção da pasta. A relação água/cimento (a/c) e o teor de superplastificante 
foram fixados para todos os traços, respectivamente em 0,30 e 0,1% em peso de cimento. O uso dessa relação a/c foi relatado anteriormente na 
literatura [27], [28], [30], enquanto esse teor de superplastificante permitiu a produção de pastas fluidas. Cada CNT foi adicionado na quantidade 
de 0,05% (CNT 0,05) e 0,10% (CNT 0,10) em peso de cimento. Pasta de cimento sem CNT (Ref) também foi preparada para efeito de comparação.
2 PROGRAMA EXPERIMENTAL
Primeiramente, os CNTs, a água e o superplastificante foram misturados e sonicados por 20 min a 55 kHz em um sonicador de banho-maria 
de baixa energia (para evitar danos aos CNTs). Em seguida, essa suspensão foi adicionada ao recipiente misturador juntamente com o cimento e 
a pasta foi misturada por 3 min. Após a mistura, uma porção da amostra foi imediatamente utilizada para as medidas reológicas, enquanto o 
restante foi utilizado para moldagem dos corpos de prova conforme visto a seguir.
2.1 Materiais e misturas
Os parâmetros reológicos viscosidade (ÿ, em Pa.s) e tensão de escoamento (ÿ0, em Pa) foram estimados utilizando respectivamente as 
Equações 1 e 2, propostas por Meeten [34]. Embora a tensão de escoamento real seja medida por reometria rotacional [40], abordagens 
semelhantes foram usadas com sucesso para estimar a tensão de escoamento de materiais à base de cimento [37], [38], [41].
Para cada mistura foram moldados os seguintes corpos de prova: 3 corpos de prova cilíndricos de 20 mm x 50 mm (diâmetro x altura) para 
medidas de condutividade térmica; 5 corpos de prova cilíndricos de 20 mm x 40 mm (diâmetro x altura) para ensaios de resistência à compressão; 
e 4 corpos de prova prismáticos de 5 mm x 20 mm x 60 mm (espessura x altura x comprimento) para ensaios de resistência à flexão. Um dia após 
a fundição, os corpos de prova foram desmoldados e armazenados em água saturada com cal até o teste. Todos os testes foram realizados aos 
28 dias de idade.
Foram utilizados CNTs de paredes múltiplas com quatro proporções diferentes (ou seja, relações comprimento/diâmetro): 35, 250, 900 e 3500.
2.3 Métodos de teste
Os CNTs foram adquiridos da Nanostructured & Amorphous Materials and Cheap Tubes Inc. As características dos CNTs utilizados foram 
fornecidas pelos fabricantes e são mostradas na Tabela 1. Pode-se notar que a área de superfície específica (SSA) do CNT geralmente aumentou 
à medida que sua proporção de aspecto aumentou , de acordo com relatórios anteriores da literatura [30], [31].
O comportamento reológico das pastas foi avaliado através do teste squeeze flow. Consiste na aplicação de uma carga sobre uma amostra 
de disco fresca colocada entre duas placas paralelas a uma deformação normal constante [33], [34]. Este teste foi utilizado com sucesso para 
avaliar o comportamento no estado fresco de pastas de cimento [35], [36] e argamassas [37]–[39]. Os testes foram realizados em amostras de 
pasta de 93 mm de diâmetro e 10 mm de espessura, utilizando uma máquina de ensaios universal Instron 5569. A taxa de deslocamento foi de 0,1 
mm/s e o deslocamento total foi de 5 mm. Foi utilizado punção de aço com diâmetro de 25 mm, atendendo à relação Øamostra/Øpunção mínima 
de 3 prescrita por Min et al. [35] para minimizar as tensões compressivas geradas pelo confinamento da amostra. Os testes foram realizados em 
três amostras frescas para cada mistura.
17-50 
125-375 
333-1500 
666-6250
SSA (m2/g)Tipo95 
94 
95 
95
Tabela 1. Características dos nanotubos de carbono.
Proporção da tela
> 4040-60 
40-70 
20-30 
8-15
Ø externo (nm)
Pureza (%)
> 40
Comprimento (µm) 0,5-2 5-15 10-30 10-50
CNT-35
CNT-250
110CNT-900
233CNT-3500
Densidade (g/cm3)
1,7 – 1,9 
2,1 
1,5 – 1,9 
1,5 -1,9
ÿ =
-
64 pés
3h Dÿ ( )
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E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
(1)
2 24-
0
-
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D
ÿ
ÿ
12hF
=0 3
onde F = força (N); t = tempo decorrido (s) de teste; h0 = altura inicial da amostra (mm); h = altura final da amostra (mm); e D = diâmetro da amostra 
(mm).
O aumento no teor de CNT aumentou progressivamente o limite de escoamento e a viscosidade da pasta para uma determinada relação de aspecto.
Aos 28 dias, foram realizados testes de resistência à compressão e flexão (flexão de três pontos), utilizando a mesma máquina de ensaios 
universal citada acima, com taxas de ensaio de 2,5 e 0,01 mm/min, respectivamente. Antes do teste de resistência à flexão, a densidade das 
amostras foi determinada utilizando uma balança hidrostática. Os testes de condutividade térmica foram realizados usando um analisador C-Therm 
TCi, baseado no método de fonte plana transiente (TPS) [42]. Uma pasta térmica Wakefield foi usada como agente de contato entre a sonda e a 
amostra.
Esses aumentos foram de até 119% tanto para tensão de escoamento quanto para viscosidade (CNT 3500 – 0,10%), em comparação com o mix 
Ref. Isto pode estar associado à área superficial específica muito elevada dos CNTs (40-223 m3 /g, mostrada na Tabela 1) e à sua tendência para 
aglomerar. Segundo Roussel et al. [43], em suspensão cimentícia, as interações superficiais coloidais formam uma rede de partículas nos primeiros 
segundos. Além disso, os primeiros produtos de hidratação formam pontes CSH entre as partículas já nos primeiros 100 segundos. Ambos os 
fenómenos aumentam a dureza da rede de partículas – e portanto da pasta de cimento – numa idade muito precoce. Nesse sentido, o aumento da 
resistência à floculação e do tamanho dos flocos com a incorporação de nanomateriais já foi relatado para sistemas cimentícios [3], [44], o que pode 
aumentar a rigidez da pasta, consequentemente aumentando sua tensão de escoamento e viscosidade. Além disso, os CNTs tendem a se auto-
associar em aglomerados em microescala [45]. Esse agrupamento retém parte da água e do superplastificante, reduzindo sua disponibilidade para 
lubrificação e dispersão dos grãos de cimento e dos próprios nanotubos [10]. Esses resultados estão de acordo com os relatados na literatura. 
Skripkiunas et al. [27] encontraram aumentos na tensão de escoamento de até 270% quando incorporados 0,12% de CNT em pastas de cimento 
com superplastificante. Ma et al. [46] observaram aumentos de viscosidade e tensão de escoamento de cerca de 30% quando incorporados 0,01% 
de CNT em pasta de cimento Portland. Mohamadian et al. [47] observaram aumentos de viscosidade e tensão de escoamento de até 16% e 61%, 
respectivamente, quando incorporados até 5% de um compósito de metacrilato de metila-CNT em pasta de cimento de poço de petróleo/gás. Apesar 
dos aumentos na tensão de escoamento, Skripkiunas et al. [27] relataram reduções no comportamento de espessamento por cisalhamento com a 
incorporação de CNTs. Este fenômeno corresponde ao aumento progressivo da viscosidade à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. Em 
sistemas cimentícios, é causado principalmente pela formação de aglomerados de moléculas superplastificantes não adsorvidas, o que dificulta o 
fluxo durante o cisalhamento [48], [49]. Considerando que o superplastificante é comumente utilizado para dispersar CNTs em matriz cimentícia 
[10], [29], [50], a incorporação de CNTs pode adsorver essas “sobras” de moléculas poliméricas, reduzindo a ocorrência de espessamento por 
cisalhamento. Isto pode ser de interesse prático, tal como para aplicações de bombeamento onde o material está sujeito a altas taxas de cisalhamento.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Além disso, para um determinado teor de CNT, o aumento na sua razão de aspecto geralmente aumentou o limite de escoamento e a viscosidade 
da pasta, e esses aumentos foram maiores para o maior teor de CNT. Por exemplo, o CNT-3500 apresentou tensão de escoamento e viscosidade 
56% maior que o CNT-35 para 0,05% de CNT e 85% maior para 0,10% de CNT. Isso pode ser explicado pela maior dificuldade em dispersar CNTs 
mais longos, juntamente com o aumento da SSA do CNT à medida que sua proporção de aspecto aumentava (Tabela 1). Concordando com isso, 
Abu Al-Rub et al. [51] investigaram o efeito da proporção de aspecto dos CNTs nas propriedades mecânicas da pasta de cimento, descobrindo que 
CNTs mais curtos resultaram em maior dispersão na pasta de cimento e melhor homogeneidade (ou seja, redução do volume livre de CNT da pasta 
de cimento). Além disso, imagens de microscopia eletrônica indicaram que CNTs mais longos conectam ainda mais os produtos de hidratação 
vizinhos, o que pode aumentar a rigidez da pasta, conforme discutido acima. Da mesma forma, Konsta-Gdoutos et al. [15] concluíram que CNTs 
mais longos são mais difíceis de dispersar.
3.1 Comportamento reológico
Em relação ao impacto da relação de aspecto do CNT no desempenho fresco da pasta de cimento, Collins et al. [29] incorporaram CNTs com 
proporções médias de 200, 1000 e 1125 em pastas de cimento com 0,05% CNT, não encontrando diferenças significativas no mini slump flow (de 
67,6 a 69,4 mm) para as misturas. Porém, dois aspectos devem ser ressaltados em seu estudo: (i) os autores não incorporaram superplastificante 
nessas pastas, o que pode impedir a dispersão adequada dos CNTs; e (ii) estudos anteriores [52] mostraram que o mini-slump test pode ser impreciso 
para prever a tensão de escoamento da pasta, especialmente em um mini-slump spread tão baixo, ou seja, em torno de 60 mm, onde a amostra não 
é completamente autonivelante.
A Figura 1 mostra as curvas de squeeze flow das pastas e a Figura 2 mostra os parâmetros reológicos das misturas.
(2)
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E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
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A Figura 3 e Figura 4 mostram respectivamente a resistência à compressão e flexão das pastas aos 28 dias. Não foram observadas 
diferenças significativas entre a resistência à compressão da mistura de referência e da pasta com 0,05% de CNT, independentemente das 
relações de aspecto dos CNT. Contudo, foi observada uma ligeira diminuição da resistência à compressão nas misturas com 0,10% de CNT. 
A falta de ganho significativo de força (ou mesmo redução de força) com a incorporação de CNTs já foi abordada na literatura. MacLeod et 
al. [53] conduziram uma extensa pesquisa sobre o efeito da incorporação de CNTs na resistência à compressãode compósitos à base de 
cimento aos 28 dias. Das 13 misturas com relação água/ligante inferior a 0,35 (conforme utilizado no presente trabalho), apenas duas 
misturas tiveram um aumento significativo na resistência à compressão com a incorporação de nanotubos. Ma et al. [46] encontraram 
resistência à compressão equivalente em 7 e 28 dias para argamassas de cimento de escória de alto-forno simples e reforçadas com cinza 
volante com 0,01% de CNT. Collins et al. [29] também encontraram reduções de resistência à compressão em 28 dias de 8% e 11% quando 
incorporados 0,05% de CNT com proporções médias de 200 e 1125, respectivamente, em comparação com pasta de cimento simples. 
Finalmente, Hu et al. [6] e Mohsen et al. [54] relataram diferenças insignificantes na resistência à compressão com a adição de CNTs em 
até 0,10%. Por outro lado, na pesquisa de MacLeod et al. [53], as maiores melhorias de resistência em 28 dias foram relatadas para misturas 
com relações água/aglutinante acima de 0,45, atingindo melhorias da ordem de 60%. Essa tendência pode estar associada à maior dispersão 
dos CNTs em pastas com baixa relação água/ligante, também relatada por Mendoza-Reales et al. [55] e Zhou et al. [9].
Por sua vez, o teste de squeeze flow demonstrou ser uma ferramenta precisa para avaliar as propriedades reológicas de compósitos à base 
de cimento [37], [41] e é mais sensível a pequenas variações de propriedades.
3.2 Ensaios mecânicos
Em relação à resistência à flexão, a incorporação de 0,05% de CNT diminuiu a resistência do compósito independentemente da relação 
de aspecto dos CNT. Isso foi confirmado por ANOVA unidirecional, dividindo as amostras em grupos de acordo com o tipo de CNT utilizado;
Figura 1. Curvas de teste de fluxo de compressão (carga aplicada vs. deslocamento) das pastas. (a) 0,05% de CNT; (b) 0,10% CNT.
Figura 2. Parâmetros reológicos das pastas. (a) tensão de escoamento; (b) viscosidade.
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Os valores de p foram 0,096, 0,456, 0,245 e 0,084 respectivamente para CNT 35, 250, 900 e 3500, indicando diferença significativa para 
confiabilidade de 95%. Da mesma forma, Tyson et al. [56] relataram redução da resistência à flexão de cerca de 70% com a incorporação 
de CNTs na última idade testada (ou seja, 21 dias). A resistência à flexão é geralmente mais sensível a heterogeneidades e defeitos na 
matriz do que a resistência à compressão [57]. Por sua vez, o aumento do teor de CNT até 0,10% geralmente compensou a perda de 
resistência observada para incorporação de 0,05% de CNT, exceto para CNT-35. Esse comportamento foi semelhante ao relatado por 
Mohsen et al. [54], que obtiveram resistências equivalentes para 0% e 0,08% de incorporação de CNT. Segundo Sobolkina et al. [58], 
durante o carregamento, as trincas são originadas nas zonas mais fracas do compósito que geralmente correspondem aos contatos entre 
as regiões CSH. Os CNTs conectam regiões CSH (na escala de cerca de 1 µm) e promovem um intertravamento de cristais CSH em forma 
de agulha, reforçando, portanto, essas zonas semanais e promovendo o aumento de força. No caso do CNT-35, seu baixo comprimento (em 
torno de 1 µm comparado com 5-50 µm dos demais) impediu o ganho de resistência à flexão promovido pelo aumento do conteúdo de 
nanotubos. Estes resultados concordam com os achados de Abu Al-Rub et al. [51], que avaliaram pastas de cimento com “CNTs longos” 
(comprimento de 10-30 µm, comparável ao CNT-3500) e “CNTs curtos” (comprimento de 1,5 µm, comparável ao CNT-35) em 0,04% e 
0,1%. . Os autores observaram que os CNTs longos levaram a resistências à flexão aos 28 dias de 20% a 30% maiores do que os CNTs 
curtos, para o mesmo nível de incorporação.
Quanto ao efeito da proporção de aspecto dos CNTs, a principal conclusão de Konsta-Gdoutos et al. [15], [30] e Abu Al-Rub et al. [51] 
foi que, para atingir o mesmo nível de desempenho mecânico, é necessário menor teor de CNTs à medida que a proporção de aspecto 
aumenta. Em nosso trabalho, o conteúdo e a proporção ideais de CNT foram 0,10% e 900, respectivamente; uma relação de aspecto mais 
alta diminuiu a resistência à compressão, enquanto uma relação de aspecto mais curta impediu a melhoria adequada da resistência à flexão.
Figura 3. Resistência à compressão das pastas aos 28 dias.
Figura 4. Resistência à flexão das pastas aos 28 dias.
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E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
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Não foram observadas diferenças significativas entre a densidade dos compósitos; portanto, as diferenças na condutividade 
térmica podem ser atribuídas à presença de CNTs. A adição de 0,05% de CNT melhorou a condutividade térmica do 
compósito em até 15% quando a proporção de aspecto dos CNT aumentou para 250, independentemente do teor de CNT. 
Este achado era esperado, uma vez que a condutividade térmica dos CNTs é cerca de 1000 vezes maior que a da pasta de 
cimento simples (discutida a seguir), e o aumento da razão de aspecto dos CNTs tende a aumentar a condutividade do 
compósito, pois permite a formação de uma rede mais extensa de nanotubos com o mesmo teor de peso [23]. Além disso, a 
incorporação de 0,05% de CNT-900 e CNT-3500 diminuiu ligeiramente a condutividade térmica do compósito em comparação 
com a mistura de 0,05% de CNT-250, mas foram ainda superiores às das misturas de 0,05% de CNT-35 e Ref. Uma 
tendência geral semelhante foi observada para incorporação de 0,10% de CNT quando sua proporção de aspecto aumentou 
(exceto para CNT-3500), mas os valores de condutividade térmica encontrados para o maior teor de CNT foram inferiores 
aos encontrados para o menor teor de CNT ao comparar as respectivas proporções. . Do ponto de vista da condutividade 
térmica, este comportamento parece contraditório. Entretanto, o aumento do teor e da relação de aspecto de CNT tende a 
aumentar a dificuldade de dispersá-lo homogeneamente na matriz cimentícia, e isso foi evidenciado pelo fato de que a maior 
relação de aspecto e teor de CNT levou à menor condutividade térmica entre as pastas, ainda menor do que a pasta de cimento simples.
3.3 Condutividade térmica
A Figura 5 mostra a densidade das pastas e a Figura 6 mostra o efeito dos CNTs na sua condutividade térmica.
No entanto, os testes de condutividade térmica mostraram uma melhoria substancial nesta propriedade (até 15%) com a 
incorporação de um teor relativamente baixo de CNTs (0,05%), confirmando o potencial deste nanomaterial para melhorar a 
condutividade térmica de materiais à base de cimento.
Figura 5. Densidade das pastas de cimento.
Figura 6. Condutividade térmica das pastas em função da relação de aspecto e conteúdo do CNT.
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo,F. Pelisser e PR de Matos
12/07Rev. IBRACON Estrut. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 2021
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((
2
K k 1 AB = +ÿ 1 2
ÿ
2
(3)
(4)
(5)
ÿ
=ÿ + kk ÿÿB1A
ÿ ÿÿ ÿ
/
ÿ ÿÿ ÿ ÿ ÿkkkkk 2 2
eu
1 1
Figura 7. Condutividade térmica prevista (modelo de Lewis-Nielsen) e medida das pastas de cimento reforçadas com CNT, para 
as diferentes proporções e teores de CNT.
12/08Rev. IBRACON Estrut. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 2021
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
ÿ = + ÿ 
ÿ ÿ
ÿÿÿ1
ÿ
ÿ ÿ ÿ ÿ 
ÿ
1
fração volumétrica.
A Figura 7 compara os valores de condutividade térmica medidos com aqueles previstos pelo modelo Lewis-Nielsen e a Tabela 2 detalha 
os valores. Foi observada boa concordância entre os valores teóricos e medidos para a incorporação de CNT-35 e CNT-250 em 0,05% 
(diferenças de até 2,7%). No entanto, à medida que a proporção e o conteúdo dos CNTs aumentaram, os resultados experimentais desviaram-
se daqueles previstos pelo modelo de Lewis-Nielsen. Isso ocorre porque o modelo teórico assume que a fase “preenchimento” (ou seja, CNTs) 
está perfeitamente distribuída por toda a matriz, enquanto essa homogeneidade piora à medida que o conteúdo e a proporção de aspecto do 
CNT aumentam. Por fim, a Figura 7 mostra o grande potencial dos CNTs para melhorar a condutividade térmica do compósito de cimento, mais 
que dobrando a condutividade da pasta com a incorporação de 0,10% de CNT em teoria.
Onde k1 = condutividades térmicas da matriz da pasta de cimento (W/mÿK); k2 = condutividades térmicas do CNT (igual a 750, estimada a 
partir de [19]) (W/mÿK); A = relação de aspecto CNT; = fração volumétrica de enchimento; e = enchimento máximo
Além disso, os valores experimentais de condutividade térmica foram comparados com valores teóricos calculados pelo modelo de Lewis-
Nielsen. As vantagens deste modelo são sua simplicidade e cobertura de uma ampla gama de formatos e padrões de partículas, particularmente 
a proporção de aspecto da fibra [59], [60]. A condutividade térmica (K) de um sistema bifásico composto por uma matriz não condutora (aqui, 
matriz cimentícia) e uma carga condutiva (aqui, CNT) foi determinada pelas Equações 3–5, conforme trabalhos relatados na literatura [ 59], [61].
ÿ ))
eu
2
eu
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PTC: Condutividade térmica prevista; MDC: Condutividade térmica medida; *média (desvio padrão).
0,766 (0,042)
Pasta de referência 
CNT-35-0,05%
0,837 (0,038)
0,729 
0,752
1,041 
1,352 
1,245
0,00089 
0,00178 
0,00089
-
Tabela 2. Dados detalhados do modelo de predição de Lewis-Nielsen.
0,803 (0,029)900 
900 
3500
0,00178 0,2269
Compos., vol. 36, não. 1, pp. 8–15, 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.06.012.
35
A
0,782 (0,051)
0,5328 
0,5328 
0,2269
B
0,729 (0,026)
~1
0,728 (0,051)0,774 
0,860 
0,991
~1 
~1 
~1
0 0,00089
0,00178 
0,00089 
0,00178 0,756 (0,049)
-
35 
250 
250
3500
0,9661 
0,8037 
0,8037
0,747 (0,042)
Fração de volume de CNT
-
~1
~1 
~1 
~1
0,707 (0,042)
ÿ PTC (W/mÿK) MTC (W/mÿK)*
0,9661
1.760
CNT-35-0,1% 
CNT-250-0,05% 
CNT-250-0,1% 
CNT-900-0,05% 
CNT-900-0,1% 
CNT-3500-0,05% 
CNT-3500-0,1%
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4. CONCLUSÕES
(iii) Os testes de condutividade térmica mostraram que a incorporação de 0,05% de CNT melhorou a condutividade térmica do compósito, 
independentemente da relação de aspecto dos CNT. Essas melhorias foram de até 15% para o CNT-250. Por sua vez, a incorporação 
adicional de CNTs não resultou em grandes melhorias nesta propriedade, eventualmente diminuindo a condutividade térmica do compósito 
(por exemplo, para 0,10% do CNT-3500). Além disso, os valores experimentais de condutividade térmica foram comparados com valores 
teóricos obtidos pelo modelo de Lewis-Nielsen. Foi observada boa concordância entre os valores teóricos e medidos para a incorporação de 
CNT-35 e CNT-250 em 0,05% (diferenças de até 2,7%); entretanto, à medida que a proporção e o conteúdo dos CNTs aumentaram, os 
resultados experimentais se desviaram daqueles previstos.
RECONHECIMENTOS
Este trabalho investigou o efeito da razão de aspecto dos CNTs na reologia, condutividade térmica e propriedades mecânicas da pasta de 
cimento Portland. Especificamente, CNTs com proporções de 35, 250, 900 e 3500 foram adicionados em 0,05% e 0,10% sobre o peso do 
cimento. Com base nos resultados apresentados, foram tiradas as seguintes conclusões:
Essas descobertas indicam o bom potencial dos CNTs para melhorar a condutividade térmica de materiais à base de cimento, mantendo seu 
desempenho mecânico e fresco. A incorporação de CNTs com relação de aspecto intermediária (ou seja, 250) levou a um aumento de 15% na 
condutividade térmica do compósito para um teor relativamente baixo de CNTs (0,05% sobre o peso do cimento). Por fim, a boa dispersão dos 
CNTs seria um fator chave para alcançar um melhor desempenho.
Os autores agradecem às agências brasileiras de pesquisa Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à 
Fundação de Amparo à Pesquisa de Santa Catarina (FAPESC) pelo apoio financeiro a esta pesquisa, e à Coordenação de Aperfeiçoamento de 
Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo fornecimento bolsas para o primeiro, terceiro e quinto autores.
(i) O teste de compressão de fluxo mostrou que o aumento no teor de CNT aumentou progressivamente a tensão de escoamento e a viscosidade 
da pasta, em até 119% em comparação com a pasta de cimento simples. O aumento na proporção de aspecto dos CNTs também aumentou 
essas propriedades para um determinado nível de incorporação, atingindo valores 86% maiores quando foi incorporado 0,10% de CNT-3500 
em comparação com o mesmo nível de CNT-35.
REFERÊNCIAS
(ii) Não foram observadas diferenças significativas na resistência à compressão da pasta quando 0,05% de CNT foi incorporado, 
independentemente da sua relação de aspecto. Por sua vez, a incorporação de 0,10% levou a ligeiras reduções de resistência em algumas 
misturas (ou seja, para CNT-250 e -3500). Em relação à resistência à flexão, a incorporação de 0,05% de qualquer um dos CNTs diminuiu a 
resistência das misturas, enquanto a incorporação de 0,10% geralmente compensou esta redução, exceto para a menor proporção de aspecto.
http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.03.014.
Rev. IBRACON Estrut. Mat., vol. 14, não. 5, e14510, 2021
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
12/09
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https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.06.012https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117527
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.03.014
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
12/10
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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.04.004
Contribuições dos autores: EB: metodologia, curadoria de dados, análise formal, redação; PJPG: conceituação, captação de financiamento, fiscalização; 
PM: metodologia; curadoria de dados; FP: curadoria de dados; análise formal; PRM: redação, revisão e edição.
Editores: José Marcio Calixto, Guilherme Aris Parsekian.
E. Batiston, PJP Gleize, P. Mezzomo, F. Pelisser e PR de Matos
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