An Investigation on the Effects of Cellulose Nanofibrils on the Performance of Cement Paste and Concrete pt

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Avanços em Civil
Materiais de engenharia
DOI: 10.1520/ACEM20180048
Hosain Haddad Kolour,1 Mohammed Ahmed,2 Ethar Alyaseen,2 e 
Eric N. Landis2
VOL. 7 / NÃO. 1/2018
Uma investigação sobre os efeitos de
Concreto
Nanofibrilas de Celulose no
Desempenho da Pasta de Cimento e
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Referência
Hosain Haddad Kolour,1 Mohammed Ahmed,2 Ethar Alyaseen,2 e Eric N. Landis2
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Copyright © 2018 da ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959
Uma investigação sobre os efeitos de
Nanofibrilas de Celulose no Desempenho de Pasta de 
Cimento e Concreto
doi:10.1520/ACEM20180048 /Vol. 7 / Nº 1 / 2018 / disponível online em www.astm.org
Materiais de Engenharia, Vol. 7, nº 1, 2018, pp. 463–478, https://doi.org/10.1520/
Departamento de 
Engenharia Civil e Ambiental, 
Universidade do Maine, 
5711 Boardman Hall, Orono, ME 
04469- 5711, EUA (Autor 
correspondente), e-mail: 
hosain.haddad@maine. edu, 
https://orcid.org/0000-0003-1621-4137 _
Departamento de 
Engenharia Civil e Ambiental, 
Universidade do Maine, 
5711 Boardman Hall, Orono, ME 
04469- 5711, EUA, https://
orcid.org/ 0000-0001-8596-8472 (MA),
Artigo recebido em 26 de abril de 
2018; aceito para publicação em 20 
de julho de 2018; publicado on-line 
em 7 de setembro de 2018.
463
https://orcid.org/0000-0002- 
https:// 0045-4323 (EA), 
orcid.org/0000-0003-4934-9150 
(ENL)
ACEM20180048. ISSN 2379-1357
As nanofibrilas de celulose (CNFs) têm o potencial de melhorar as propriedades do cimento e do 
concreto devido à forma como alteram a forma como a água é distribuída durante a mistura e como 
modificam o processo de hidratação. Neste trabalho, foram investigados os efeitos dos CNFs sobre 
certas propriedades da pasta de cimento e do concreto. Para a pasta de cimento foram investigadas a 
trabalhabilidade, propriedades de retração e resistência à compressão. No estudo da pasta de 
cimento, foram preparados e testados 32 lotes com concentrações variáveis de CNF em 4 
grupos com diferentes relações água/cimento (a/c) (0,35, 0,40, 0,45 e 0,50). Foram realizados 
dois testes reológicos; um usou um amperímetro para medir torque versus velocidade de rotação, 
e
um segundo usou uma tabela de fluxo padrão. Ambos os testes mostraram uma diminuição na
trabalhabilidade das pastas de cimento que se deve ao aumento do volume do CNF para todas as 
pastas, o que sugere que o CNF retém a água da mistura no estado fresco. Assim, a água retida no 
CNF não está disponível durante a mistura inicial da pasta de cimento. Os resultados dos ensaios 
de retração livre para todas as 32 pastas de cimento foram coletados por até 90 dias. Resultados 
adicionais mostraram que com uma relação a/c baixa (0,35), a adição de uma pequena quantidade 
de CNF (0,05%) pode reduzir a contração livre em 13%. Nos testes de resistência à compressão, uma 
pequena dosagem de CNF (0,05%) melhorou a resistência à compressão (até 28%), mas 
dosagens mais altas reduziram a resistência. Os resultados sugerem que o CNF tem um bom potencial 
para ser considerado como um novo agente natural de cura interna à base de plantas em pasta de 
cimento e concreto. Para as amostras de concreto, o foco principal foi nos efeitos de trabalhabilidade 
e resistência à compressão. No estudo concreto, doze
1
2
de Nanofibrilas de Celulose no Desempenho de Pasta de Cimento e Concreto”, Advances in Civil
ABSTRATO
Haddad Kolour, H., Ahmed, M., Alyaseen, E., e Landis, EN, “Uma Investigação sobre os Efeitos
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https://doi.org/10.1520/ACEM20180048
https://www.astm.org
https://doi.org/10.1520/ACEM20180048
mailto:hosain.haddad@maine.edu
mailto:hosain.haddad@maine.edu
https://orcid.org/0000-0003-1621-4137
https://orcid.org/0000-0003-1621-4137
https://orcid.org/0000-0001-8596-8472
https://orcid.org/0000-0001-8596-8472
https://orcid.org/0000-0002-0045-4323
https://orcid.org/0000-0003-4934-9150
https://orcid.org/0000-0002-0045-4323
https://orcid.org/0000-0003-4934-9150
https://doi.org/10.1520/ACEM20180048
lotes com diferentes volumes de CNF foram preparados e os resultados de queda correspondentes 
foram medidos. Os resultados mostraram que para preservar os valores de abatimento, um teor 
extra de água de 5 a 8% deveria ser adicionado para cada 0,1% de CNF incorporado na mistura 
de concreto. Com base em testes de resistência à compressão, foi demonstrado que o CNF é o 
elo mais fraco nas microestruturas de concreto e controla a resistência à compressão.
É sabido que a indústria do cimento é enorme e que cerca de 5% do total das emissões de dióxido 
de carbono provocadas pelo homem provêm da indústria do cimento. A introdução de qualquer novo 
material verde neste campo será um novo caminho promissor para o desenvolvimento sustentável. 
Recentemente, tem havido alguns sérios problemas ambientais, por isso investigadores e institutos 
procuram encontrar materiais verdes que melhorem e desenvolvam a indústria da construção 
utilizando materiais à base de plantas [1]. Geralmente, esses materiais são biodegradáveis, fáceis 
de produzir, abundantes e ecologicamente corretos. Kawashima e Shah tentaram usar fibras de 
celulose como agente de cura interna para melhorar as propriedades autógenas e de retração por 
secagem de materiais cimentícios em idade precoce [2]. Mezencevova et al. investigou o efeito das 
fibras da Polpa Termomecânica na cura interna de materiais cimentícios [3].
Explorar as vantagens únicas dos nanomateriais à base de plantas tem o potencial de explorar a 
promessa dos nanomateriais com recursos renováveis.
aumentar a energia de fratura em mais de 50% [4]. Cao et al. tentaram usar nanocristais de 
celulose (CNCs) para melhorar o desempenho da pasta de cimento. Eles descobriram que os CNCs 
podem aumentar a resistência à flexão e o grau de hidratação das pastas de cimento [5]. Num outro 
projeto, descobriram que é possível melhorar a resistência à flexão da pasta de cimento em até 50% 
[6]. Além disso, a influência dos CNCs na microestrutura da pasta de cimento foi investigada por 
pesquisadores [7,8]. Nove CNCs diferentes foram testados para melhorar a hidratação e a 
resistência à flexão de pastas de cimento Portland na pesquisa de Fu et al. [9].
No estudo descrito neste artigo foram utilizadas nanofibrilas de celulose (CNFs). Muito pouco 
trabalho foi feito com este material específico; esta é uma das primeiras investigações para descobrir 
os efeitos do CNF na pasta de cimento e no concreto. CNFs são nanopartículas (normalmente, com 
menos de 0,2 mm de comprimento e 50 nm de largura) que são frequentemente ramificadas ou 
bifurcadas e podem ser extraídas de plantas, árvores e recursos florestais renováveis. Eles são 
biodegradáveis e menos abrasivos para equipamentos de processamento [10]. Eles são materiais 
hidrofílicos promissores em nanoescala que possuem diversas características únicas, como alta 
proporção de aspecto, baixa densidade (1,0 g/cc de pasta fluida)e alta superfície específica (31–33 
m2/g) que permitem a funcionalização [ 10 ] . A pesquisa mais recente concentrou-se na utilização de CNF em
Uma tendência em desenvolvimento simultâneo na indústria de cimento e concreto é o uso de 
aditivos de nanomateriais. Esses materiais nanobaseados têm o potencial de mudar drasticamente 
os materiais de construção tradicionais. Utilizando esses nanomateriais, pode-se modificar a 
microestrutura da pasta de cimento, melhorando inúmeras propriedades desejadas. Assim, pode 
ser possível adaptar as propriedades mecânicas e químicas às nossas necessidades específicas.
Peters et al. mostraram que uma combinação de fibras de nanocelulose e microcelulose pode
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Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Palavras-chave
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Introdução
força, encolhimento
nanofibrilas de celulose, cura interna, reologia, trabalhabilidade, pasta de cimento, concreto, compressão
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465
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Preparação de materiais e amostras
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Conforme detalhado abaixo, a corrente consumida pelo misturador, bem como seu fator de 
potência, foram registrados durante todo o processo de mixagem. Conforme detalhado abaixo, os testes 
da tabela de fluxo foram realizados imediatamente após a conclusão do procedimento de mistura. 
Cimento Portland Tipo I/II (grau comercial) que atende a ASTM C150/C150M-17, Especificação Padrão 
para Cimento Portland [11], foi utilizado nestes testes. Os materiais CNF utilizados nesta pesquisa foram 
produzidos pelo Centro de Desenvolvimento de Processos da Universidade do Maine. Os materiais CNF 
recebidos estavam numa forma de pasta aquosa branca e inodora. A concentração de sólidos é
produtos tradicionais de alto volume e baixo custo, como embalagens de papel, tintas, compósitos e 
alimentos. No entanto, estas propriedades levaram-nos a acreditar que poderia haver um papel útil para 
os CNFs como aditivo aos sistemas de betão de cimento Portland para redução da retracção, bem como 
como agente de cura interna.
Os compósitos de pasta de cimento modificados com CNF utilizados nesta pesquisa foram preparados 
misturando suspensões de CNF, água e pó de cimento para obter misturas com diferentes concentrações 
de cada constituinte do CNF. Três propriedades principais da mistura resultante foram investigadas. 
Primeiro, foi medido o efeito do CNF na reologia da pasta de cimento usando uma mesa de fluxo e um 
teste de reômetro de misturador de cozinha. Com base nos resultados do primeiro
respeito ao cimento. As pastas de cimento foram preparadas em quatro grupos diferentes com diferentes 
relações água/cimento (a/c). Para cada grupo, foram utilizadas oito concentrações diferentes de CNF. 
Um total de 32 lotes de pasta de cimento foram preparados em 4 grupos diferentes. Esses grupos são 
mostrados na Tabela 1.
As concentrações de CNF de cada lote foram calculadas com base na fração volumétrica com
Preparação da amostra da pasta de cimento As 
pastas de cimento foram misturadas com uma misturadora de cozinha rotativa convencional de 8 qt. O 
método tradicional de ultrassom para homogeneização/dispersão de nanomateriais não foi tão eficaz 
para CNF; portanto, o seguinte procedimento foi utilizado para misturar as pastas: (1) a suspensão de 
CNF foi misturada com água em um misturador de cozinha rotativo separado de 6 qt por 180 segundos 
a uma velocidade de 95 r/min (homogeneização/dispersão); (2) a solução da Etapa 1 foi combinada com 
pó de cimento e misturada a uma velocidade de 60 r/min durante 120 segundos; (3) deixou-se a mistura 
repousar durante 15 segundos; (4) mistura adicional por 60 segundos a uma velocidade de 95 r/min; (5) 
descansar por 15 segundos; (6) misturar durante 60 segundos a uma velocidade de 115 r/min; (7) 
descansar por 15 segundos; e por fim,(8) misturar a uma velocidade de 135 r/min por 60 segundos. A 
cada descanso de 15 segundos, uma espátula foi utilizada para raspar a parede e o fundo da tigela.
O objetivo do trabalho descrito neste artigo é investigar os efeitos das dosagens de CNF em 
propriedades frescas e endurecidas selecionadas de pasta de cimento e concreto. Nossa hipótese é 
que os CNFs oferecem o potencial para melhorar o desempenho de compósitos cimentícios usando um 
material que é renovável, sustentável, que tem baixa toxicidade, baixo custo (US$ 1,25/lb. = US$ 2,76/
kg de pasta) e é adequado para produção em massa [ 10]. No trabalho descrito neste artigo, os CNFs 
foram adicionados em pastas de concreto e cimento em diferentes dosagens. Testes foram projetados e 
realizados para estudar como os CNFs afetam as propriedades reológicas, de retração e de resistência 
da pasta de cimento. Testes adicionais foram realizados para medir os efeitos do CNF na trabalhabilidade 
e na resistência à compressão das misturas de concreto.
Em parte, foi investigado o efeito do CNF na retração livre e na resistência à compressão da pasta de 
cimento.
MISTURA DE PASTA DE CIMENTO
Machine Translated by Google
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
e cimento para fazer lotes com diferentes concentrações de CNF. Doze configurações diferentes
3,0% (3 g de nanofibrilas e 97 g de água em 100 g de suspensão), e a densidade de
foi misturado com água em uma batedeira rotativa de cozinha separada de 6 qt por 180 segundos a uma velocidade de
trabalhabilidade. As misturas de concreto foram preparadas misturando lama de CNF, água, areia, cascalho,
O seguinte procedimento foi usado para misturar o concreto e o teste de abatimento: (1) Suspensão CNF
Após o procedimento de mistura, foi realizado um teste de slump. O cimento e CNF usados para concreto
As misturas de concreto foram preparadas com o objetivo principal de avaliar os efeitos do CNF sobre
com cimento, areia e brita a uma velocidade de 95 r/min durante 180 segundos; (3) depois de completar
lotes de concreto preparados em quatro grupos estão descritos na Tabela 2.
95 r/min (homogeneização/dispersão); (2) a solução da etapa anterior foi misturada
gel aquoso é 1,0 g/cm3 [10].
Preparação de amostras de concreto
17 (Referência)
2
50
466
3.358
639
434
Grupo 2 – a/c = 40%
35
0,50
Cimento (g)
1.399
0,20
1.513
202
22
35
40
29
4.091
0,10
1.612
76
36
45
3.816
0,05
3.351
Grupo 3 – a/c = 45%
Pasta CNF (g)
649
35
1,00
4.120
0,50
1.356
23
404
40
40
0,20
4.062
1.493
30
1.594
189
45
3.808
3.568
0,10
1.682
71
18
10
45
0,00
3.580
3h00
1.054
1.332
Grupo 1 – a/c = 35%
50
0,10
3.363
15
87
7
35
0,05
Banheiro (%)
1.442
171
20
41
27
40
4.110
3.576
0,00
503
9 (Referência)
1 (Referência)
50
0,20
3.361
1.157
16
217
8
CNF (% Volume)
0,10
1.421
1.533
21
81
35
28
40
4.101
0,05
3.825
348
38
0
40
4.116
3.831
3h00
1.135
1,50
Grupo 4 – a/c = 50%
1.124
45
50
1,00
3.583
1.426
Avanços em Materiais de EngenhariaCivil
1.612
531
0,00
3.364
3.325
13
22
5
18
35
3h00
3.830
3h00
937
19
0
45
3.582
1,50
1.240
1.506
1.056
50
0,05
3.363
14
Água (g)
44
19
6
35
0,00
Mistura não.
802
26
20
35
1,50
4.119
1,00
1.228
1.290
24
604
40
3.833
0,50
1.453
1.575
31
378
45
45
3.783
0,20
3.561
1.664
11
178
3
50
4.118
1.014
25 (Referência)
0
1.201
40
1,50
3.832
1,00
1.334
1.538
565
32
45
50
3.583
0,50
1.647
355
4
50
3.539
3.345
12
0
TABELA 1
Matriz de teste para pasta de cimento reforçada com CNF.
MISTURA DE CONCRETO
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CNF (% volume)
4.971
5.611
4.676
75 260
0,1
2.600
45
1.392
4.380
0
5.256
4
2.600
4.528
7
0,3
1.346
Cascalho (g)
87
2.600
11
60
50
1.522
0
8
4.823
5.434
1.568
Banheiro (%)
0
70
Água (g)
173
2.600
4.528
5.788
65
1.698
5
0,3
2.600
4.676
5.079
1
0,2
6.143
87
12
2.600
2.600
4.380
1.170
1.652
0
9
55
Areia (g)
1.476
0,1
65
5.611
260
173
0
2.600
5.965
2.600
60
4.823
5.256
2
Cimento (g)
0,2
1.300
70
5.434
260
2.600
87
4.233
0,1
6
0,3
4.528
Pasta CNF (g)
1.606
5.119
Mistura não.
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
467
0,2
1.430
173
0
2.600
5.788
65
1.43810
55
5.434
3
2.600
O torque necessário para mover a pasta fresca em diferentes velocidades do misturador foi usado para
a uma determinada velocidade. Portanto, um amperímetro de registro de dados foi conectado ao misturador para que o
Corporations, Bourne, MA), que inclui uma interface de computador. Uma cozinha rotativa de 8 qt
velocidade. O segundo método empregou um teste de tabela de fluxo padrão. Detalhes desses métodos
misturador foi usado para misturar a pasta de cimento. Quatro velocidades foram usadas para misturar a pasta neste
Os corpos de prova foram os mesmos utilizados para o preparo da pasta de cimento. Areia multiuso e
são apresentados abaixo.
diferenças nas propriedades reológicas entre diferentes misturas de pastas com adições de CNF, um
Estava empregado. O primeiro método consistiu na utilização de um misturador rotativo convencional conectado
desenvolver uma relação torque-velocidade de rotação. A base para este método foi o reconhecimento
a um amperímetro de registro de dados de modo que o torque possa ser medido em função da rotação
método simples foi desenvolvido usando uma batedeira rotativa convencional.
entre o torque e a velocidade rotacional da pá serve como um proxy para a viscosidade.
O amperímetro utilizado neste trabalho foi um HOBO Plug Load Logger (Onset Computer
O objetivo do trabalho descrito nesta seção foi quantificar as propriedades reológicas de
mostraram que os diferentes instrumentos produziram, na verdade, valores muito diferentes para ambos
reologia. Um estudo abrangente no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia
a corrente poderia ser monitorada enquanto o misturador funcionava em velocidades diferentes. Através do aplicativo
pasta de cimento com diferentes relações a/c e teores de CNF. Para atingir esse objetivo, dois métodos
tensão de escoamento e viscosidade [12]. Como os objetivos básicos deste estudo eram medir
dos princípios básicos de máquinas elétricas, as medições de corrente e tensão poderiam ser
convertido em um torque aplicado à pá misturadora. Como mostrado abaixo, a relação
cascalho a granel (passando por uma peneira de 3/8 pol.) foi usado nas amostras de concreto.
que uma pasta de cimento de maior viscosidade exigiria mais torque para acionar o misturador elétrico
estudo, 60, 95, 115 e 135 r/min. Um procedimento detalhado de mistura pode ser encontrado em
Existem vários instrumentos comercialmente disponíveis para medições de concreto.
Reômetro misturador de cozinha
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
MESA 2
Matriz de ensaio para concreto armado com CNF.
TESTES DE REOLOGIA DE PASTA DE CIMENTO
Procedimentos de testes experimentais
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HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
sem qualquer pasta no copo de mistura, um torque líquido, Tnet, é definido como a diferença entre o 
torque medido com pasta e o torque medido sem pasta, ou:
relação:
PF é o fator de potência medido. R é a resistência em ohms.
Reconhecendo que uma certa quantidade de torque é necessária para girar a pá misturadora
multímetro enquanto o instrumento estava operando em velocidades diferentes.
onde T é o torque (N · m), ÿ é a velocidade de rotação em r/min e Pm é a velocidade mecânica
O torque necessário para girar a pá misturadora foi calculado usando o seguinte
potência (VA), que pode ser estimada pelo seguinte:
O cálculo do torque do misturador exigiu diversas medições elétricas adicionais,
Perdas = I2 R
Nestas duas últimas expressões, I é a corrente em amperes, V é a tensão (volts) e
ÿ
nomeadamente tensão e resistência. Ambas as medições foram feitas usando um dispositivo portátil
Pe = VIPF
Seções. As correntes e o fator de potência foram medidos durante a mistura em cada um dos diferentes
onde Pe é a potência elétrica (VA) calculada da seguinte forma:
T =
velocidades, conforme ilustrado na Fig .
e Plosses são as perdas de potência definidas da seguinte forma:
(3)
(1)
(4)
(2)
(5)
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
468
FIGO. 1 Resultados típicos de corrente versus tempo.
Tnet = Tmeas ÿ T0
Pm = Pe ÿ Plosses
60
PM
2ÿ
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Avanços em Materiais de Engenharia Civil
469
TESTES DE QUEDA DE CONCRETO
TESTE DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO BETÃO
TESTE DE LIVRE RETRAÇÃO DE PASTA DE CIMENTO
TESTE DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DA PASTA DE CIMENTO
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Um teste de abatimento, baseado na ASTM C143/C143M-15a, Método de Teste Padrão para Abatimento 
de Concreto de Cimento Hidráulico [17], foi realizado para cada lote diretamente após terminar o 
procedimento de mistura. O resultado é a queda em centímetros, para cada lote.
medição.
Um teste de tabela de fluxo baseado em ASTM C1437-15, O Método de Teste Padrão para Fluxo de 
Argamassa de Cimento Hidráulica[13], foi realizado para cada lote diretamente após terminar o 
procedimento de mistura. O resultado é o fluxo em porcentagem, para cada lote.
Os resultados são o valor médio das resistências à compressão de quatro amostras para cada lote.
Este dispositivo atende aos requisitos de ASTM C157/C157M-17 [14] e ASTM C490/C490M-17, Prática 
Padrão para Uso de Aparelhos para Determinação de Mudança de Comprimento de Pasta de Cimento 
Endurecido, Argamassa e Concreto [15]. As amostras foram nomeadas e marcadas nas extremidades 
superior e inferior para garantir que todas as amostras sejam colocadas na mesma direção e na mesma 
posição no dispositivo comparador de comprimento em cada
Após a mistura do concreto, quatro moldes cilíndricos de 3 por 6 pol. (76,2 por 152,4 mm) foram usados 
para moldar quatro corpos de prova para cada lote. Os moldes foram mantidos em câmara úmida por 24 
horas. Em seguida, os corpos de prova foram desmoldados e curados em câmara úmida por 28 dias.ASTM C39/C39M-18, Método de Teste Padrão para Resistência à Compressão de Amostras de Concreto 
Cilíndrico[18], foi usado para quebrar as amostras e medir as resistências à compressão envelhecidas por 28 dias.
Depois de misturar a pasta, dois 2 pol. Moldes cubo (50,8 mm) foram usados para moldar dois corpos de 
prova para cada lote. Os moldes foram mantidos dentro de sacos fechados (condição lacrado) por 24 
horas. Em seguida, os corpos de prova foram desmoldados e curados dentro de outros sacos fechados 
com zíper (condição lacrado) por 28 dias. ASTM C109/C109M - 16a, Método de teste padrão para 
resistência à compressão de argamassas de cimento hidráulico (usando amostras de cubo de 2 pol. ou 
[50 mm]) [16], foi usado para quebrar as amostras e medir as resistências à compressão envelhecidas aos 
28 anos. dias. Os resultados são o valor médio das resistências à compressão de duas amostras para cada lote.
Após a mistura da mistura, dois moldes de aço laminado a frio com dimensões de 1 por 1 por 11,25 pol. 
(25,4 por 25,4 por 285,75 mm) foram utilizados para moldar os corpos de prova. ASTM C157/C157M-17, 
Método de teste padrão para mudança de comprimento de argamassa e concreto de cimento hidráulico 
endurecido [14], foi usado para moldar as amostras. Após 24 horas de cura em sala úmida, os corpos de 
prova foram desmoldados e armazenados em câmara plástica fechada durante todo o período de coleta 
de dados. As medições de comprimento foram feitas usando o Dial Indicator H-3250 (Humboldt 
Manufaturing Inc., Raleigh, NC), um comparador de comprimento.
As leituras subsequentes foram feitas aos 3, 5, 7, 11, 14, 21, 28 e 90 dias de envelhecimento. A cada 
leitura foram registradas a temperatura e a umidade relativa.
onde Tmeas é o torque medido para pasta (N·m), e T0 é o torque somente para pá (N·m).
A leitura inicial (referência) do comprimento dos corpos de prova foi feita logo após a desmoldagem 
dos corpos de prova, ou seja, 1 dia após a adição de água ao cimento.
Teste de mesa de fluxo de pasta de cimento
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https://www.astm.org/Standards/C1437
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
REOLOGIA DE PASTA DE CIMENTO
Utilizando parâmetros medidos por amperímetro e as equações mencionadas anteriormente, foi calculado o 
torque líquido para cada lote em diferentes velocidades de rotação. A Figura 2 mostra a relação entre o 
torque líquido (N · m) e a velocidade de rotação (r/s) para cada grupo (diferentes relações a/c) em diferentes 
relações CNF. Foi observado em todas as misturas que o torque aumenta quando a velocidade de rotação 
é aumentada. Se assumirmos que as pastas de cimento seguem o modelo de Bingham, então precisamos 
determinar a tensão de escoamento e a viscosidade para cada mistura. O torque de iniciação (torque na 
primeira velocidade de rotação) pode ser interpretado como um índice de tensão de escoamento, e a 
inclinação de cada linha pode ser vista como um índice de viscosidade para aquela mistura específica.
Os resultados do torque inicial e da viscosidade relativa versus CNF em diferentes grupos são mostrados 
na Fig. 3. Pode-se observar que, em todos os grupos, o aumento da CNF leva ao aumento do torque de 
iniciação, bem como da viscosidade relativa. Estes resultados mostram que o aumento da dosagem de CNF 
leva a uma pior trabalhabilidade. Além disso, os efeitos são mais graves em proporções a/c mais baixas.
470
FIGO. 2 Torque líquido versus velocidade de rotação: (a) Grupo 1, w/c = 0,35; (b) Grupo 2, a/c = 0,40; (c) Grupo 3, a/c = 0,45; e (d) Grupo 4,
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
c/c = 0,50.
Resultados e discussões
Reômetro misturador de cozinha em pasta de cimento
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FIGO. 3 Parâmetros reológicos relativos: (a) torque de iniciação e (b) viscosidade relativa.
fração.
471
Fluxo versus volume CNF
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Tabela de fluxo de pasta de cimento
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
FIGO. 4
A Fig. 4 mostra o efeito do CNF nos resultados da tabela de fluxo de diferentes lotes em quatro grupos com 
várias quantidades de CNF. Os resultados mostram que o fluxo diminuiu com o aumento da quantidade de 
CNF para cada grupo, o que significa que a adição de CNF diminuiu a trabalhabilidade para todos os grupos. 
Estes resultados apoiam os resultados encontrados utilizando o reômetro misturador de cozinha descrito 
na seção anterior. Uma possível interpretação para estes resultados é que o CNF pode estar se aglomerando 
de forma a diminuir a trabalhabilidade. Resultados da tabela de fluxo
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HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
RETRAÇÃO LIVRE DE PASTA DE CIMENTO
FIGO. 5 Encolhimento versus idade: (a) Grupo 1, a/c = 0,35; (b) Grupo 2, a/c = 0,40; (c) Grupo 3, a/c = 0,45; e (d) Grupo 4, w/c = 0,50.
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
472
testes e testes de reômetro de misturador de cozinha fornecem uma previsão de que a água na pasta de CNF 
não está disponível, pois a água da mistura está na pasta de cimento fresca.
A Figura 5 mostra os resultados da contração livre em função do tempo de 90 dias. Quando envelhecidos por 
28 dias, os resultados mostraram que em relações a/c mais elevadas (a/c = 0,40, 0,45 e 0,50) um aumento 
na dosagem de CNF levou a um aumento na retração livre. Na menor relação a/c (a/c = 0,35), entretanto, 
pequenas dosagens de CNF levaram a uma redução na retração livre quando comparadas com o lote de 
referência deste grupo. Usar uma pequena taxa de CNF, como 0,05, 0,1, 0,2 e 0,5%, ajudou a diminuir a 
contração livre. Contudo, não foi encontrado nenhum benefício na adição de outras taxas, como 1, 1,5 e 3%.
Este resultado pode ser explicado se assumirmos que a retração pode ser dividida em retração 
autógena e por secagem. Reconhecendo que, para relações a/c inferiores a 42%, a retração autógena pode 
ser significativa [19,20], podemos assumir que para as misturas mais altas de a/c, estamos observando 
apenas a retração por secagem. O fato de a adição de CNF apenas aumentar a retração dessas misturas 
sugere que a interação do CNF e da água da mistura
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Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Encolhimento versus idade para dois 
lotes com o mesmo
473
trabalhabilidade (fluxo).
Uma outra forma interessante de considerar as medidas de retração é colocá-las em termos de misturas de 
trabalhabilidade semelhante. A Figura 6 mostra o perfil de contração de duas misturas que tiveram a mesma resposta da tabela 
de fluxo. Uma mistura tinha a/c de 0,35 sem CNF, e a outra mistura tinha a/c de 0,40 com 0,2% de CNF. Aos 28 dias, a mistura 
com CNF apresentou retração 13% menor que a mistura sem CNF.
Os resultados dos ensaios de resistência à compressão das pastas de cimento da Tabela1 podem ser observados na Figura 7.
Em dosagens baixas, tal efeito é pequeno, mas provavelmente determina a resistência final em altas doses.
talvez leve a um aumento na porosidade capilar e, portanto, a uma maior contração por secagem.
No entanto, a contração reduzida para pastas com baixa relação a/c pode sugerir que o CNF pode estar retendo a água da 
mistura de uma forma que se assemelha a um agente de cura interno. Ou seja, a baixa relação a/c permite a formação de uma 
pasta endurecida de baixa porosidade, mas a água retida pelo CNF é posteriormente atraída para a reação de hidratação, 
minimizando a autodessecação e reduzindo a retração autógena. Os efeitos do CNF na retração de pastas de cimento são 
muito semelhantes aos efeitos das nanopolpas de celulose em compósitos à base de cimento, obtidos por Ferrara et al. [21].
Novamente, os resultados do Grupo 1 (w/c = 0,35) são diferentes dos resultados dos outros grupos. Pode-se observar que 
pequenas quantidades (0,05, 0,1 ou 0,2%) de CNF no Grupo 1 (a/c = 0,35) são eficazes e podem melhorar a resistência à 
compressão. A utilização de 0,05% de CNF na pasta de cimento aumenta a resistência à compressão em até 28% em relação 
à pasta de referência (sem CNF). Nenhuma tendência clara é observada com as misturas mais altas de água/c, exceto que em 
todos os casos, altas dosagens de CNF reduzem a resistência à compressão.
A melhoria na resistência observada nas misturas com baixa relação a/c pode possivelmente ser explicada mais uma 
vez por um efeito de cura interna. No entanto, a observação da Fig. 7a mostra que esta melhoria desaparece em dosagens 
mais elevadas. A possível explicação para este resultado é que o CNF pode estar se aglomerando de forma a aumentar o 
tamanho das falhas nas pastas.
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
FIGO. 6
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DA PASTA DE CIMENTO
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HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
dosagens. É interessante notar que nestes quatro gráficos não há uma tendência clara para 
dosagens intermédias de CNF. Uma explicação para esses resultados erráticos requer mais estudos.
Os efeitos positivos em baixas relações a/c tanto na retração quanto na resistência à compressão 
nos levaram a acreditar que o CNF está agindo como um agente de cura interno de maneira 
semelhante a um polímero superabsorvente [22]. Ou seja, parte da água da mistura é capturada e 
retida pelo CNF durante a mistura, mas é liberada posteriormente à medida que a hidratação progride. 
Tal mecanismo explicaria tanto as melhorias na resistência quanto na contração, pois desempenharia 
um papel na minimização da autodessecação e da contração autógena.
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
FIGO. 7 Resultados de resistência à compressão das pastas de cimento: (a) Grupo 1, a/c = 0,35; (b) Grupo 2, a/c = 0,40; (c) Grupo 3, a/c = 0,45; e (d) Grupo 
4, w/c = 0,50.
474
QUEDA DE CONCRETO
A Figura 8 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de abatimento do concreto. Esta figura mostra os 
resultados de queda para lotes na Tabela 2 versus proporções a/c, exibidas em diferentes volumes de CNF. 
O gráfico destaca a observação de que o aumento da dosagem de CNF leva à redução da trabalhabilidade. 
Pode-se observar que, para preservar os valores de abatimento, é necessário adicionar um teor extra de 
água de 5 a 8% para cada 0,1% de volume adicional de CNF incorporado na mistura de concreto. Tal como 
foi sugerido com os resultados da pasta de cimento, os resultados aqui sugerem que a água em
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Resistência à compressão do concreto
Resultados do teste de queda de concreto.
475
resultados.
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
A lama de CNF não está disponível como a água da mistura no concreto fresco, e a aglomeração de CNF pode 
desempenhar um papel na diminuição da trabalhabilidade.
Os resultados dos ensaios de resistência à compressão para lotes de concreto da Tabela 2 podem ser vistos na Figura 9.
Fica claro no gráfico que, em geral, o aumento da dosagem de CNF leva a uma redução
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO BETÃO
FIGO. 9
FIGO. 8
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HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Conclusões
476
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Dois conjuntos de testes reológicos (torque e tabela de fluxo) em pastas de cimento mostram que o aumento 
das dosagens de CNF diminui a trabalhabilidade, o que sugere que os CNFs têm a capacidade de reter água 
na pasta de cimento fresca. Assim, a água na pasta CNF não pode ser contada como água de mistura no 
cálculo da mistura de pasta de cimento fresca. Isto é muito semelhante ao efeito dos Polímeros Superabsorventes 
nas pastas de cimento [22]. Testes de retração livre mostraram que em relação a/c baixa (a/c = 0,35), pequenas 
dosagens de CNF reduziram a retração livre, enquanto em proporções a/c mais altas, a retração não foi 
melhorada e de fato foi mais severa com dosagens mais altas de CNF . Da mesma forma, nos testes de 
resistência à compressão, com baixa relação a/c, pequenas dosagens (0,05, 0,1 ou 0,2%) de CNF levaram a 
uma melhoria na resistência à compressão. Por exemplo, a adição de 0,05% de CNF aumentou a resistência à 
compressão de uma mistura de 0,35 w/c em até 28% em comparação com a pasta de referência. Porém, em 
relações a/c mais elevadas, a adição de CNF levou a uma redução na resistência à compressão. Finalmente, 
os resultados dos testes de contração livre mostraram que a adição de CNF normalmente levou a uma 
contração adicional além da amostra de controle, com exceção da mistura de baixa relação a/c, na qual a 
contração foi reduzida com a adição de CNF.
Portanto, de modo geral, uma conclusão geral é que a adição de CNF às misturas de concreto pode ter 
um efeito positivo e negativo nas propriedades. O presente trabalho visa compreender melhor o estado da água 
durante a mistura, bem como melhores formas de dispersar os CNFs. O primeiro nos permitirá otimizar melhor 
as dosagens de CNF, enquanto o último nos permitirá controlar melhor tanto os efeitos na trabalhabilidade 
quanto os efeitos na resistência em níveis de água/c mais elevados.
Uma série de testes foram realizados com pasta de cimento e concreto modificado com CNFs.
Os testes de abatimento mostraram que para preservar a trabalhabilidade, a/c deve ser aumentada em 5-8% e 
deve ser adicionada para cada 0,1% de CNF incorporado na mistura de concreto. Em relação à resistência à 
compressão, a adição de CNF não teve efeito positivo. A uma determinada relação a/c, as adições de CNF 
geralmente levaram a menores resistências à compressão. Uma descoberta interessante é que quando o CNF 
foi adicionado à mistura, a resistência à compressão tornou-se menossensível a mudanças na relação a/c, o 
que sugere que o CNF altera a forma como falhas críticas se manifestam em misturas com proporções a/c mais 
altas.
Para corpos de prova de concreto, o estudo focou apenas na trabalhabilidade e resistência à compressão. 
Os testes mostraram que a adição de CNF teve um efeito prejudicial na trabalhabilidade.
Os autores gostariam de agradecer as contribuições do Centro de Desenvolvimento de Processos da 
Universidade do Maine, que forneceu o CNF para este estudo, e de Kavya Shirisha, que ajudou em grande 
parte do trabalho de laboratório.
na resistência à compressão para uma determinada relação a/c. No entanto, também é interessante notar que, 
diferentemente do concreto tradicional, que perde resistência em relações a/c mais altas, o concreto modificado 
por CNF não é tão sensível à relação a/c. Isto é, numa dosagem fixa de CNF, as alterações na resistência com 
o aumento da relação a/c são muito pequenas. Esta observação sugere que em relações a/c mais elevadas, a 
porosidade adicional criada pela água adicional já não controla a resistência à compressão, mas sim as 
alterações na microestrutura induzidas pelo CNF controlam a resistência à compressão.
índices.
AGRADECIMENTOS
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477
Avanços em Materiais de Engenharia Civil
Compostos, Vol. 33, nº 2, 2011, pp. 201–208, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp. 
2010.10.018
Concr. Compostos, Vol. 56, 2015, pp. 73–83, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp. 
2014.11.008
[2] Kawashima, S. e Shah, SP, “Comportamento de encolhimento autógeno e de secagem em 
idade precoce de materiais cimentícios reforçados com fibra de celulose”, Cem. Concr.
[11] ASTM C150/C150M-17, Especificação Padrão para Cimento Portland, ASTM International, 
West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org [12] Ferraris, CF e 
Brower, LE, “Comparação de Reômetros de Concreto”, Concr. Int., Vol. 25, nº 8, 2003, pp.
[5] Cao, Y., Zavaterri, P., Youngblood, J., Moon, R., e Weiss, J., “A influência das adições de 
nanocristais de celulose no desempenho da pasta de cimento”, Cem .
[13]ASTM C1437-15, Método de teste padrão para fluxo de argamassa de cimento hidráulico, 
ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org [14] 
ASTM C157/C157M-17, Método de teste padrão para mudança de comprimento de argamassa 
e concreto de cimento hidráulico endurecido, ASTM International, West Conshohocken, 
PA, 2017, www.astm.org 
[15] ASTM C490/C490M-17, Prática padrão para uso de aparelhos para a determinação da 
mudança de comprimento de pasta de cimento endurecido, argamassa e concreto, ASTM 
International, West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org [16] ASTM 
C109/C109M-16a, Método de teste padrão para resistência à compressão de argamassas de 
cimento hidráulico (usando amostras de cubo de 2 pol. ou [50 mm]), ASTM International, 
West Conshohocken, PA, 2016, www.astm . organização [17] 
ASTM C143/C143M-15a, Método de teste padrão para queda de concreto de cimento hidráulico, 
ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org
[1] Onuaguluchi, O. e Banthia, N., “Compósitos de cimento reforçado com fibra natural à base 
de plantas: uma revisão”, Cem. Concr. Compostos, Vol. 68, 2016 , pp. 96–108, https://
doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.02.014
[10] “Folha de especificações de produto de nanofibrilas de celulose (CNF), ” Process 
Development Center, University of Maine , https://web.archive.org/web/20180810223126/
https://umaine.edu/pdc/wp- conteúdo/uploads/sites/398/2016/03/Specs-CNF.pdf (acessado 
em 10 de agosto de 2018).
[3] Mezencevova, A., Garas, V., Nanko, H., e Kurtis, KE, “Influência das composições de fibra 
de celulose termomecânica na cura interna de materiais cimentícios”, J. Mater. Civil. Eng., 
Vol. 970–975 , https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000446 [4] Peters, SJ, 
Rushing, TS, Landis, EN, e Cummins, TK, 
“Nanocelulose e Fibras de Microcelulose para Concreto”, Transp. Res. Gravando., Vol. 2142, 
2010, pp. 25–28, https://doi.org/10.3141/2142-04
Cem. Concr. Compostos, Vol. 74, 2016, pp. 164–173, https://doi.org/10.1016/j. 
cemconcomp.2016.09.008 
[8] Flores, J., Kamali, M., e Ghahremaninezhad, A., “Uma investigação sobre as propriedades 
e microestrutura de misturas de cimento modificadas com nanocristal de celulose”, 
Materials, Vol. 10, nº 5, 2017, pp.
[9] Fu, T., Montes, F., Suraneni, P., Youngblood, J., e Weiss, J., “The Influence of Cellulose 
Nanocrystals on the Hydration and Flexural Strength of Portland Cement Pastes,” 
Polymers, Vol . 9, nº 9, 2017, pp.
[6] Cao, Y., Zavattieri, P., Youngblood, J., Moon, R., e Weiss, J., “A relação entre dispersão e 
resistência de nanocristais de celulose”, Constr . Construir. Mat., Vol. 71–79, https://doi.org/
10.1016/j.conbuildmat.2016.03.077 [7] Cao, Y., Tian, N., Bahr, D., Zavattieri, P., 
Youngblood, J., Moon, RJ, e Weiss, J., “A influência dos nanocristais de celulose na 
microestrutura da pasta de cimento ”,
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Referências
Machine Translated by Google
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.10.018
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.10.018
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.10.018
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.008
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.008
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.008
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.10.018
https://www.astm.org
https://www.astm.org/Standards/C1437
https://www.astm.org
https://www.astm.org
https://www.astm.org
https://www.astm.org
https://www.astm.org
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.02.014
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.02.014
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.02.014
https://web.archive.org/web/20180810223126/https://umaine.edu/pdc/wp-content/uploads/sites/398/2016/03/Specs-CNF.pdf
https://web.archive.org/web/20180810223126/https://umaine.edu/pdc/wp-content/uploads/sites/398/2016/03/Specs-CNF.pdf
https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000446
https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000446
https://doi.org/10.3141/2142-04
https://doi.org/10.3141/2142-04
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.09.008
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.09.008
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.09.008
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.077
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.077
[18] ASTM C39/C39M-18, Método de teste padrão para resistência à compressão de 
amostras de concreto cilíndrico, ASTM International, West Conshohocken, PA, 
2018, www.astm.org
[22] Mechtcherine, V. e Reinhardt, HW, Application of Superabsorbent Polymers (SAP) in 
Concrete Construction, Relatório do estado da arte preparado pelo RILEM Technical 
Committee 225-SAP, Springer, New York, NY, 2012, 164p.
[19] Jensen, OM e Hansen, PF, “Materiais à base de cimento com entrada de água: I.
Observações Experimentais”, Cem. Concr. Res., Vol. 32, nº 6, 2002 , pp.
[21] Ferrara, L., Ferreira, SR, Della Torre, M., Krelani, V., De Silva, FA, e Filho, RDT, 
“Effect of Cellulose Nanopulp on Autogenous and Drying Shrinkage of Cement Based 
Composites,” apresentou no Quinto Simpósio Internacional sobre Nanotecnologia 
na Construção (NICOM5), Chicago, IL, 24 a 26 demaio de 2015, K. Sobolev e SP 
Shah, eds., Springer, Chicago, IL, pp.
Princípios e Fundamentação Teórica”, Cem. Concr. Res., Vol. 31, nº 4, 2001, pp . 
[20] Jensen, OM e Hansen, PF, “Materiais à base de cimento 
com entrada de água: II.
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Avanços em Materiais de Engenharia Civil
HADDAD KOLOUR ET AL. SOBRE OS EFEITOS DO CNF NO CIMENTO E BETÃO
Machine Translated by Google
https://www.astm.org
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00737-8
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00737-8
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00463-X