Cap51 - Nanociência e nanotecnologia dos materiais cimentícios

Prévia do material em texto

51
NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA DOS 
MATERIAIS CIMENTÍCIOS
Philippe J. P. Gleize – UFSC
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Materiais cimentícios e, especificamente,
Introdução
, p ,
concretos, deixaram de ser uma simples mistura
de cimento, água e agregados.
• Concretos modernos contêm cada vez mais:• Concretos modernos contêm cada vez mais:
• adições minerais
• aditivos orgânicos
• aditivos inorgânicos
• fibras
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Tornou-se possível desenvolver concretos à la
Introdução
p
carte para cada aplicação específica graça à
emergência:
• de uma nova ciência dos materiais cimentícios,
• de uma nova ciência de aditivos e adiçõesde uma nova ciência de aditivos e adições,
• do uso de equipamentos científicos sofisticados para
caracterizar a microestrutura e até a nanoestruturacaracterizar a microestrutura e até a nanoestrutura.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• O material ou componente deve ser formulado para
Introdução
p p
manter suas características e suas funções ao
longo da sua vida útil no seu ambiente de uso.
• Resistência à compressão aos 28 dias
• DurabilidadeDurabilidade
• Sustentabilidade
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Tornar o concreto mais “atuante” no
Introdução
desenvolvimento urbano e no ambiente construído
pela agregação de outras funcionalidades:
• translucidez, isolamento térmico, isolamento acústico,
• consumo de resíduosconsumo de resíduos,
• autolimpeza e autoregeneração,
t l d i t f i t d bi t• controle do aquecimento e resfriamento de ambientes
visando a otimização do consumo energético,
t ã t d i• captação e armazenamento de energia,
• higienização e asseptização,
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• detecção e aviso de problemas,...
I t d ã
• Aplicação de conceitos de nanociência e
Introdução
p ç
nanotecnologia para o concreto.
• Propriedades e fenômenos que ocorrem numa escala naPropriedades e fenômenos que ocorrem numa escala na
qual a matéria apresenta um comportamento especial
devido aos:
• efeitos quânticos
• efeitos das altíssimas superfícies e interfacesp
• O controle da matéria na escala nanométrica abre
enormes perspectivas na possibilidade de criarenormes perspectivas na possibilidade de criar
materiais, dispositivos e sistemas com novas
funções e propriedades.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
ç p p
I t d ã
• Alguns exemplos que ilustram o papel crítico que a
Introdução
g p q p p q
nanotecnologia pode ter em áreas identificadas
como limitantes do uso de materiais cimentícios:
• melhoria da coesão e diminuição da fluência,
• redução da fissuração nas primeiras idadesredução da fissuração nas primeiras idades,
• aumento simultâneo da resistência e da ductilidade,
t d l id d d h d i tê i• aumento da velocidade de ganho de resistência,
• melhoria do desempenho do cimento,
• aumento da durabilidade,
• multifuncionalidade,...
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
,
I t d ã
• 1- Possibilidades de controle e/ou modificação da
Introdução
ç
nanoestrutura do C-S-H.
• 2- Efeito da adição de nanomateriais (nanopartículas,
nanofibras) no desempenho de materiais cimentíciosnanofibras) no desempenho de materiais cimentícios.
• 3- Possibilidades de aplicação da tecnologia da
liberação controlada para o concreto.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Controle da nanoestrutura do C-S-H e 
ó it d C S H
• O concreto que possui as nanoestruturas
nanocompósitos de C-S-H
q p
complexas do cimento e seus hidratos é um
excelente candidato para a manipulação e o
controle de suas propriedades por meio da
nanotecnologia.
• C-S-H: principal responsável por grande parte das
propriedades dos concretos endurecidos:
• algumas desejáveis: alta resistência à compressão e
endurecimento progressivo;
• outras prejudiciais: fragilidade, baixa resistência à tração e
instabilidade dimensional (retração, fluência).
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• C-S-H: uma estrutura intrinsecamente complexa
Controle da nanoestrutura do C-S-H
p
• Organização estrutural multiescala, formado por
aglomerados de partículas ou nanocristaisaglomerados de partículas ou nanocristais
(nanocristalitas) compostos de um empilhamento de
folhas ou lamelas formadas por uma dupla camada
central de octaedros de CaO inserida entre duas
camadas de tetraedros de SiO4.
• Assim, o C-S-H é um composto nanoporoso com
altíssima área superficial.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• C-S-H: uma estrutura intrinsecamente complexa
Controle da nanoestrutura do C-S-H
p
• Grande afinidade com a água, que interage de maneira
diferenciada com as superfícies do C-S-H em função dediferenciada com as superfícies do C S H em função de
seu grau de confinamento na estrutura:
• nos nanoporos,p ,
• adsorvida nos nanocristais (nanocristalitas),
• intercalada no espaço interfolha.intercalada no espaço interfolha.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• C-S-H: uma estrutura intrinsecamente complexa
Controle da nanoestrutura do C-S-H
p
• É um composto não estequiométrico
• Relação média C/S do C S H ≈ 1 7• Relação média C/S do C-S-H ≈ 1,7.
• No entanto, há grandes variações locais de composição,
entre 0,6 e 2,3 ou mais.entre 0,6 e 2,3 ou mais.
• A relação C/S afeta diretamente o comprimento das
cadeias de silicato, levando a variações na estrutura do C-ç
S-H e, consequentemente, na natureza das interações
interfolhas e entre os nanocristais.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• C-S-H: uma estrutura intrinsecamente complexa
Controle da nanoestrutura do C-S-H
p
• Existem pelo menos dois tipos diferentes de C-S-H, que
se formam por mecanismos diferentes. Apresentamse formam por mecanismos diferentes. Apresentam
densidades diferentes e, também, estruturas distintas:
• produto interno (Ip) ou de alta densidade (HD)p ( p) ( )
• produto externo (Op) ou de baixa densidade (LD)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• Confirmação da natureza nanogranular ou coloidal
Controle da nanoestrutura do C-S-H
ç g
do C-S-H
• Existência de uma única nanopartícula ou nanocristalitaExistência de uma única nanopartícula ou nanocristalita
(4-5 nm, formada por algumas camadas de C-S-H e com
nanoporosidade em volta de 18%) com propriedades
invariantes que formam a unidade básica do C-S-H dos
materiais cimentícios.
• As diferenças entre os diversos C-S-H seriam devidas à
densidade de empacotamento de tais nanopartículas.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d t t d C S H
• Origem da coesão do C-S-H
Controle da nanoestrutura do C-S-H
g
•Figura 1 – Esquema mostrando os dois níveis de escala em que a origem da coesão do C-S-H
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Figura 1 Esquema mostrando os dois níveis de escala em que a origem da coesão do C S H 
deve ser buscada – Fonte: PELLENQ, VAN DAMME & DELVILLE, 2005
C t l d t t d C S H
• Origem da coesão do C-S-H
Controle da nanoestrutura do C-S-H
g
• Na nanoescala:
• Forças de van der Waals• Forças de van der Waals
• Ligação iônico-covalente
• N l• Na mesoescala:
• Forças de natureza iônica e eletrostática
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C t l d tt d C S H
• Controle das características mecânicas do C-S-H ?
Controle da nanoestrutura do C-S-H
• Modificação de sua nanoestrutura, procurando a
diminuição da relação C/S (aumento do comprimentodiminuição da relação C/S (aumento do comprimento
médio das cadeias de silicatos).
• Modificação das forças de ligação entre asModificação das forças de ligação entre as
nanopartículas e/ou empilhamento das lamelas ou
folhas de C-S-H nas nanopartículas.
• Modificação do empacotamento de suas nanopartículas.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Abordagem biomimética e nanocompósitos 
d C S H
• Biomimética: ciência que tenta reproduzir a
de C-S-H
q p
natureza.
• A mistura hierarquizada de compostos orgânicos eA mistura hierarquizada de compostos orgânicos e
inorgânicos é uma via potencial para a elaboração
de materiais mais eficientes.de materiais mais eficientes.
• Ex.: a alta tenacidade do nácar da casca da concha
abalone, composta por 99% de carbonato de cálcio emabalone, composta por 99% de carbonato de cálcio em
massa, vem da estrutura compósita microlaminada de
minúsculos cristais de aragonita com um polímero
proteínico.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Abordagem biomimética e nanocompósitos 
d C S H
• Via potencial para tornar o C-S-H mais dúctil:
de C-S-H
p p
fabricar nanocompósitos ou híbridos C-S-
H/polímero.
• Na mesoescala: inserção de moléculas orgânicas entre
as nanopartículas.
• Na nanoescala: intercalação de moléculas orgânicas
entre as lamelas ou folhas de C-S-H das nanopartículas.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Abordagem biomimética e nanocompósitos 
d C S H
• Híbridos C-S-H/polímeros
de C-S-H
p
• Intercalação ou simples adsorção dos polímeros ?
• Modificação das características mecânicas:• Modificação das características mecânicas:
•Quadro 1 – Módulo de elasticidade e dureza de C-S-H e C-S-H com poli(cloreto de 
dialildimetilamônio) – PDC medidos por nanoindentação – Fonte: PELISSER, GLEIZE & 
M t i l (C/S 0 8) Módulo de D (GP )
d a d et a ô o) C ed dos po a o de tação o te SS , G &
MIKOWSKI, 2010
Material (C/S = 0,8) Módulo de elasticidade (GPa) Dureza (GPa)
C S H 26 8 1 09C-S-H 26,8 1,09
C S H/PDC 4 44 0 11
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C-S-H/PDC 4,44 0,11
Adi ã d t i i
• Alta área específica
Adição de nanomateriais
p
• Nanopartículas
• Nanofibras• Nanofibras
• Materiais nanoestruturados
• Principal desafio: obter uma boa dispersão a fim
de otimizar seu desempenho em matrizes de
i tcimento.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adi ã d t i i tí lAdição de nanomateriais: nanopartículas
• Nanosílica (pode apresentar também reatividade
pozolânica)p )
• Nano-óxido de titânio (apresenta também características
fotocatalíticas))
• Nano-óxido de ferro
• Nanoalumina• Nanoalumina
• Nanozircônia
• Nano-óxido de cromo
• Nanoargila
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adi ã d t i i tí lAdição de nanomateriais: nanopartículas
• Aumento da viscosidade da fase líquida, reduzindo a
segregação e aumentando a trabalhabilidade.g g ç
• Efeito fíler: preenchem os vazios entre os grãos de
cimento.
• Aceleração da hidratação do cimento, favorecendo a
formação de pequenos cristais de hidróxido de cálcio eç p q
aglomerados de C-S-H.
• A nanosílica participa na reação pozolânica, consumindop p ç p ,
o hidróxido de cálcio e produzindo um C-S-H adicional.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adi ã d t i i tí lAdição de nanomateriais: nanopartículas
• Melhoria da microestrutura da zona interfacial de
transição: melhor ligação entre agregados e pasta deç g ç g g p
cimento.
• Melhoria geral da microestrutura: aumento dag
tenacidade, resistência ao cisalhamento, tração e flexão.
• Nanopartículas de óxido de titânio (anatase, rutile):p ( , )
redução das concentrações de óxidos de nitrogênio
(NOx) dos ambientes.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adi ã d t i i
• Adição de nanofibras / nanotubos
Adição de nanomateriais
ç
• Produção de produtos cimentícios mais resistentes e
também mais dúcteis, permitindo dispensar-se o uso datambém mais dúcteis, permitindo dispensar se o uso da
armadura de aço.
• Nanotubos de carbono (NTC)Nanotubos de carbono (NTC)
• Propriedades mecânicas:
• Módulo de Young : 450 1500 GPa• Módulo de Young : 450 - 1500 GPa
• Resistência a tração : 11 - 63 GPa
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adição de nanomateriais: nanotubos de 
b (NTC)
• Desafios:
carbono (NTC)
• Dispersão adequada na matriz.
• Interação com os compostos hidratados do cimento• Interação com os compostos hidratados do cimento,
principalmente o C-S-H.
Algumas soluções:• Algumas soluções:
• Sonicação (utilização da energia de ondas ultrassônicas
d l tí l ) dpara desaglomerar as partículas) com ou sem o uso de
dispersantes.
• F i li ã fi i l t d• Funcionalização superficial: enxerto de grupos
funcionais carregados na superfície dos NTC, o que
deve gerar uma repulsão eletrostática entre si
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
deve gerar uma repulsão eletrostática entre si.
Adição de nanomateriais: nanotubos de 
b (NTC)
• Dispersão dos NTC em água
carbono (NTC)
p g
•Figura 2 – NTC em água (a) antes e (b) após o tratamento químico com ácidos – Fonte:
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Figura 2 NTC em água (a) antes e (b) após o tratamento químico com ácidos Fonte: 
BATISTON & GLEIZE, 2007
Adição de nanomateriais: nanotubos de 
b (NTC)carbono (NTC)
•Quadro 2 – Alguns resultados da literatura mostrando o efeito da incorporação de NTC em 
algumas características mecânicas de materiais cimentícios.
Autores Teor de NTC (%)
Material
Relação a/c Tratamento
Resistência à 
compressão
Resistência à 
flexão Observação
Kowald (2004) Até 0 5
Argamassas Ácidos nítrico e 
+12% -
Com a/c > 0,39, 
não houve
g
Kowald, (2004) Até 0,5
a/c < 0,39 sulfúrico
+12% não houve 
diferença
Li; Wang; Zhao, 
(2005)
0,5
Argamassas
a/c = 0,45
Ácidos nítrico e 
sulfúrico
+19% +25%
Deformação na 
ruptura aumentou 
de 17%
Batiston, (2007) Até 0,5
Argamassas
a/c = 0,45
Ácidos nítrico e 
sulfúrico
+22% +5%
Cwirzen et al, 
(2008)
Até 0,15
Pastas de cimento
a/c 0,25-0,4
Ácido poliacrílico 
e goma arábica
+50% +10%
Sanchez; Zhang; 
Ince, (2009)
0,5
Pastas de cimento
a/c 0,33
Ácido nítrico 0% 0% (tração)
Deformação mais 
dúctil com NTC
Musso et al, 
(2009)
0,5
Argamassas
a/c = 0 4
Sem tratamento
Recozido
Com grupos
+10%
+17%
+34%
+9%
(2009) a/c = 0,4 Com grupos 
carboxilas
-85% -60%
Melo, (2009) Até 0,8
Argamassas
a/c = 0,48
Ácidos nítrico e 
sulfúrico
+22% +35%
Melhores 
resultados com 
0,3% de NTC
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
,
Konsta-gdoutos; 
Metaxa; 
Shah,(2010)
Até 0,08
Pastas de cimento
a/c 0,5
Sonicação - +25%
Aumento do 
modulo de Young
Adição de nanomateriais: nanotubos de 
b (NTC)
• Considerando as características mecânicas
carbono (NTC)
excepcionais dos NTC, os ganhos de desempenho
podem ser considerados ainda baixos.
• O crescimento de NTC diretamente sobre o grão de• O crescimento de NTC diretamente sobre o grão de
cimento pode ser outra alternativa: aumento da
resistência à compressão em até 57%resistência à compressão em até 57%.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Adição de nanomateriais: materiais 
t t d
• Produzidos e introduzidospara preencher uma ou
nanoestruturados
p p
mais funções específicas durante o
processamento e/ou a vida útil do concreto, tais
como:
• manutenção da trabalhabilidade,ç ,
• inibição das reações deletérias e da ação de agentes
agressivos,g ,
• proteção da armadura de aço,
• impedimento da formação e/ou a propagação de• impedimento da formação e/ou a propagação de
fissuras,
• etc
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• etc.
Adição de nanomateriais: materiais 
t t d
• Tecnologia da liberação controlada de produtos:
nanoestruturados
g ç p
• Introdução de materiais possuindo características
programáveis e capazes de reagir ou se adaptar àsprogramáveis e capazes de reagir ou se adaptar às
condições do ambiente.
• Materiais geralmente nanoestruturados, compostos por:Materiais geralmente nanoestruturados, compostos por:
• um produto ativo que vai efetuar uma ação de correção,
• um veículo (ex: polímeros biodegradáveis hidrogéis ouum veículo (ex: polímeros biodegradáveis, hidrogéis ou
nanosílica porosa) que transporta e libera o produto ativo,
em resposta a solicitações naturais ou provocadas vindas
do exterior ou do interior do material (tensão mecânica,
temperatura, umidade, ruído, luz, pH, substância química,
etc.).
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
etc.).
Adição de nanomateriais: materiais 
t t d
• Exemplos:
nanoestruturados
p
• Hidróxidos duplos lamelares (HDL): fáceis de sintetizar e
permitem a intercalação e desintercalação de espéciespermitem a intercalação e desintercalação de espécies
carregadas entre suas lamelas sem grande dificuldade.
• Microcápsulas de sílica contendo um agente de reparo eMicrocápsulas de sílica contendo um agente de reparo e
um catalisador.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C tá i fi i
• Perspectivas de desenvolvimento de materiais
Comentários finais
p
cimentícios pela aplicação de conceitos de
nanociência e nanotecnologia
• Controle e modificação da nanoestrutura do C-S-H, a fim
de alcançar certas características.
• Adição de baixas quantias de nanopartículas: melhoria
geral da microestrutura e aumento da velocidade deg
hidratação do cimento, possibilitando uma redução de
seu consumo.
• Fabricação de materiais nanoestruturados introduzidos
no concreto para realizar, quando precisar, ações
ífi
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
específicas.
C tá i fi i
• Perspectivas de desenvolvimento de materiais
Comentários finais
p
cimentícios pela aplicação de conceitos de
nanociência e nanotecnologia
• Muitos desafios técnicos (eficiência, compatibilidade,
processamento, etc.) e econômicos (custos) a serem) ( )
vencidos para transformá-los em produtos / técnicas
aplicáveis industrialmente.
• Necessidade de estudos que avaliam os riscos e os
potenciais impactos dos nanomateriais para o
i t úd h t d f decossistema e a saúde humana em todas as fases de
produção, construção, utilização, demolição e
disposição
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
disposição.