Trabalho escrito: Nanoconcreto

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Concreto Nanotecnológico
Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina, Materiais de Construção II, no Curso de Engenharia civil, no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão.
	
São Luís
2016
INTRODUÇÃO
A nanotecnologia é uma ciência considerada recente e começou a ser de fato explorada a partir do ano de 2000, sendo desenvolvida em laboratórios através de pesquisas em materiais nos quais se manipulam os átomos ou moléculas.
Desde então a nanotecnologia tem proporcionado a ciência e a engenharia enorme avanços tecnológicos. Como exemplo podemos citar a criação de compósitos de cimento Portland, na qual busca-se a compreensão da hidratação das partículas de cimento e a adição de partículas nanométricas, seja nano-sílica, nanotubos de carbono ou nanofibras, assuntos que serão abordados neste presente trabalho.
O concreto de cimento Portland é o material mais usado na construção civil mundial, basicamente constituído de cimento Portland com agregado miúdo, agregado graúdo e água. Suas vantagens técnicas e econômicas são sem dúvida sua marca registrada, pois para a maioria das aplicações oferece propriedades adequadas a um baixo custo. Portanto saber mais sobre o concreto torna-se de extrema importância, principalmente em escalas menores onde a nanotecnologia já está sendo usada para melhorar o seu desempenho.
CONCRETO NANOTECNOLOGICO
Conceito
O concreto nanotecnologico ou nano-concreto é definido como o concreto feito com partículas de cimento Portland que são menores de 500 nanômetros como o agente de cimentação, portanto o tamanho das partículas de cimento tem de ser reduzido.
Inúmeras pesquisas no ramo da nanotecnologia estão buscando compreender e contribuir com o estudo para avanços do concreto, por exemplo, estudos sobre a nanoestrutura da pasta de cimento e sua porosidade, a adição de nano-sílica (SiO2) ao cimento Portland, o comportamento das propriedades mecânicas do cimento Portland com a adição dos nanotubos de carbono (CNT), a resistência à abrasão com a adição de nanopartículas ao concreto, entre outros.
Incorporação de nanopartículas no concreto
Algumas pesquisas já realizadas comprovaram o bom desempenho das nanopartículas quando adicionadas a argamassas de cimento e a concretos. Devido ao seu tamanho minúsculo, tais partículas contribuem para o preenchimento de vazios e, consequentemente, para a melhoria de diversas propriedades desses materiais.
Autores renomados como Balaguru e Chong usaram em seus experimentos um superplastificante (agente redutor de água), que, inicialmente, foi misturado à água e somente depois, adicionou-se o cimento à mistura, seguido pela areia. Foram feitas 7 misturas com diferentes proporções, mas em todas f	oi adotada a relação água/cimento de 0,5. Dessas sete amostras, três apresentavam, em sua composição, quantidades de nanopartículas de SiO2, que foram denominadas nano-SiO2.
Os resultados obtidos mostraram que as resistências à compressão de todas as amostras com nano-SiO2 apresentaram valores superiores ao da argamassa com cimento comum. Além disso, os autores notaram que as resistências aumentaram proporcionalmente à quantidade de nanopartículas adicionadas, ou seja, quanto maior a fração de nano-SiO2, maior a resistência encontrada.
Esse aumento de resistência pode ser explicado por três motivos:
Quando uma pequena quantidade de nanopartículas é uniformemente dispersa na pasta de cimento, estas agem como um núcleo de ligação forte ao cimento hidratado e, também, contribuem para a hidratação do cimento devido a sua alta atividade, o que é favorável para a resistência mecânica; 
As nanopartículas presentes entre os produtos hidratados irão impedir o crescimento de cristais como hidróxido de cálcio o que favorece a resistência mecânica; 
As nanopartículas preencherão os poros da pasta de cimento, tornando-a mais densa e aumentando, assim, a resistência, de modo similar ao efeito da sílica ativa.
A adição de 4% de nano-SiO2 aumentou em 81% a resistência à compressão aos 3 dias e, com a introdução das nanopartículas, houve um refinamento do tamanho dos poros do concreto, além de uma redução na porosidade
MATERIAIS UTILIZADOS NA PRODUÇÃO DO NANOCONCRETO 
Nanotubos de carbono
A descoberta dos nanotubos de carbono (NTC’s) aconteceu no início da década de 90, fruto do trabalho do pesquisador japonês Sumio Iijima, os quais são cilindros formados por átomos de carbono. Dependendo de sua estrutura, os nanotubos de carbono podem ser condutores metálicos ou semicondutores, além disso, os nanotubos de carbono têm uma capacidade de deformação elástica de cerca de 12%, 60 vezes maior que a do aço, e podem ainda ter seu comportamento elétrico variando com a tensão.
Os nanotubos de carbono têm sido amplamente utilizados em áreas como a eletrônica, tecnologia de materiais biológicos e compósitos multifuncionais. Embora seja utilizado por diversas indústrias, uma das barreiras encontradas para o uso dos NTC em cimentos e concretos em larga escala é seu elevado custo e baixa oferta do produto. No entanto, pesquisas recentes têm demonstrado a possibilidade de síntese dos NTC durante a própria fabricação do clínquer (cimento).
Os nanotubos de carbono mostram o comportamento de um material elástico, porém algumas divergências são encontradas nas propriedades mecânicas uma vez que os valores são obtidos por técnicas experimentais ou formulações teóricas.
Alguns estudos conduzidos por E. HERNANDEZ e ANGEL RUBIO (1999) mostraram que o módulo de elasticidade para nanotubos de carbono de parede única foi de 1,09 TPa, ou seja, os nanotubos mostraram um desempenho 5 vezes maior do que o módulo de elasticidade do aço. Para nanotubos de carbono de parede única o limite de escoamento está entre 20 e 60 GPa com limite de deformação de até 10%, embora considerações teóricas considerem um limite de escoamento maior que 100 GPa apresentado por YU et al. (2000).
Um outro aspecto importante nas propriedades dos nanotubos de carbono é a sua densidade que está em torno de 1,3 a 1,4 g/cm3, ou seja, aproximadamente 6 vezes mais leve que o aço. Devido a essas fantásticas propriedades é que muitos pesquisadores da área da construção civil estão estudando o potencial dos compósitos de cimento/nanotubos de carbono através da nanotecnologia.
Com relação às propriedades mecânicas, Couto (2006) menciona que os nanotubos de carbono podem ser utilizados para aumentar a resistência de diversos materiais. Em seu estudo, ao comparar argamassas com fibras de carbono não tratadas com argamassas com 0,5% de nanotubos tratados verificou-se que a resistência à compressão aumentou em torno de 19%, enquanto a resistência à flexão aumentou cerca de 25% para as amostras com NTC tratados. 
Segundo os autores, o aumento nas propriedades mecânicas se deve a dois fatores:
Redução da porosidade nos compósitos de cimento: devido à adição dos nanotubos de carbono, ocorre redução na porosidade e refinamento dos poros, o que aumenta a compacidade dos compósitos;
 O efeito de ligação dos nanotubos: estes agem como verdadeiras ‘pontes’ que atravessam fissuras e vazios, garantindo a transferência de carregamento no caso de tensões.
Nanopartículas de sílica ativa
A nanosílica pode ser definida como partículas de sílica em tamanho nanométrico e, tendo como algumas das matérias primas a areia e o quartzo, sendo assim uma adição mineral nanotecnológica.
As nanopartículas de SiO2 não só se comportam como agentes para melhorar a microestrutura, mas também, como um ativado para acelerar as reações pozolânicas do compósito. Sabe-se que as pozolanas conferem ao concreto características como menor calor de hidratação, melhor resistência ao ataque ácido, maior durabilidade, exigência do uso de aditivos redutores de água e menores resistências iniciais.
Também foram feitas pesquisas com nanopartículas dehematita (Fe2O3) para formar compósitos. As nano-Fe2O3 tem em média diâmetro de 30 nm no entanto como se trata de um material novo pouco usado e ainda em estudo não foi possível obter maiores informações técnicas.
Apesar de todas as variáveis que influenciam nos resultados algumas conclusões interessantes podem ser tiradas entre os trabalhos que são:
A resistência à compressão das misturas que não continham nanopartículas foi a que apresentou menores valores em comparação as outras misturas. 
O tipo de cimento, preparação da amostra, compatibilidade do cimento com superplastificante foram algumas das variáveis que influenciaram nos valores de resistência à compressão para misturas que não continham nanopartículas, em ambos trabalhos.
As misturas que continham somente a nanopartícula nano-SiO2 tiveram aumento de resistência à compressão conforme se aumentava a porcentagem de nano-SiO2, em ambos os trabalhos.
Embora não tenha sido possível comparar misturas com nano-Fe2O3 em ambos trabalhos, demonstrou-se que a utilização desta nanopartícula é eficiente para o aumento da resistência à compressão até um determinado limite ou faixa.
 Como panorama geral podemos afirmar que as nanopartículas em conjunto com outros materiais devem ser mais estudadas, como, por exemplo, adicionando novas misturas, maiores dados físicos e químicos das nanopartículas e de outros materiais, embora já se tenha notado que as nanopartículas são uma boa alternativa e que podem influenciam diretamente nas propriedades mecânicas de novos compósitos.
VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE NANOPARTICULAS
Alguns exemplos a seguir ilustram as vantagens que a nanotecnologia pode trazer em áreas que foram identificadas como limitantes do uso de materiais cimentícios.
Melhorando a coesão e dominando a fluência: quase todos os avanços nas propriedades mecânicas dos materiais cimentícios conseguidos nas últimas décadas foram realizados através da redução da porosidade capilar e pela otimização dos empacotamentos granulares. 
Evitando a fissuração nas primeiras idades: a fissuração nas primeiras idades pode ocorrer através da perda de água por secagem. A fissuração é altamente prejudicial à durabilidade, porque facilita o ingresso de agentes agressivos do ambiente e diminui o desempenho potencial do elemento. Sabe-se que as forças que conduzem a tal fissuração são as forças capilares geradas nos poros que, geralmente, são parcialmente preenchidos com água. As forças capilares tornam-se significativas quando o tamanho dos poros parcialmente preenchidos é menor que 31 aproximadamente 50 nm. A incorporação de pequenas quantidades de nanofibras, atuando como pontes de transferência das tensões de tração geradas, por tais forças capilares pode ser uma solução para diminuir a ocorrência de fissuração nas primeiras idades e para melhorar o desempenho destes materiais
Aumentando a velocidade de ganho de resistência: a possibilidade de aumento da relativa baixa velocidade de ganho de resistência em construções baseadas em cimento Portland seria uma contribuição significativa em termos de produtividade no canteiro, permitindo desfôrma e carregamento dos elementos estruturais mais rápidos. 
Melhorando o rendimento do cimento: para contribuir com a redução das emissões do CO2 e diminuir o consumo de matérias fósseis e de energia, tornou-se cada mais vez necessário reduzir-se a quantidade de clínquer usado em produtos de cimento. Isso se consegue pelo aumento dos níveis de substituição do cimento por produtos industriais que têm um papel ativo em materiais cimentícios, tais como cinzas volantes, escórias de alto forno e sílica ativa”
CUIDADOS NA MANIPULAÇÃO DE NANOMATERIAIS
 A crescente produção e aplicação de nano materiais tem provocado a ampla discussão sobre os riscos potenciais destes materiais ao meio ambiente e à saúde.
Dentre as preocupações relacionadas ao meio ambiente estão a formação de resíduos em escala nanométrica e a emissão de gases nocivos ao efeito estufa como o CO2, decorrentes de sua produção. 
Já as relacionadas à saúde referem-se aos efeitos provocados pela exposição do organismo humano aos nanomateriais. De acordo com Santos (2009), nanotubos de carbono com comprimento superior a 20 micrômetros 34 podem produzir efeitos inflamatórios similares àqueles resultantes da inalação de partículas de amianto. E é provável que esse efeito seja produzido com a inalação de nanotubos de qualquer composição química. Santos (2009) ressalta ainda a preocupação de que as nanopartículas possam danificar o genoma humano. Apesar de todas as preocupações acima citadas, atualmente são poucas as regulamentações que tratam do assunto no Brasil.
Para Soares (2008), a legislação atual que trata das regras de segurança, normalização, manuseio, transporte, estocagem, utilização e as informações ao público em geral ainda é genérica, e não aborda o tema de forma específica havendo casos onde os produtos ou mesmo os materiais nanoestruturados são descritos como seus equivalentes microestruturados. Além disso, Soares cita casos de produtos onde inexiste descrição mais detalhada sobre os potenciais riscos à saúde ou mesmo informações básicas sobre seu uso/manuseio seguro.
CONCLUSÃO
Neste trabalho foram apresentados alguns resultados de pesquisas aplicando a nanotecnologia. Viu-se o grande potencial e as grandes oportunidades que possam surgir com o aprofundamento dos estudos da nanotecnologia na construção civil, e em especial na fabricação do nano concreto.
Embora os efeitos de nanopartículas para a saúde do ser humano e para a preservação do meio ambiente continuem em estudo, estas se mostraram promissoras e espera-se que num futuro próximo possa se desvendar os mecanismos e técnicas do nano concreto, para que seja produzido em larga escala pelas concreteiras e recomendado pelos projetistas nas estruturas de concreto.
REFERÊNCIAS
ARAÚJO, Janaína;MORAIS, Andrielli Oliveira ; COSTA, Eliane Betânia Carvalho; GEYER, André – Análise da influência de diferentes tipos de sílica ativa na produção de concretos de alto desempenho. 48º Congresso Brasileiro do Concreto. Rio de Janeiro, IBRACON, 2006.
DAI, H. - Carbon nanotubes: opportunities and challenges, Elsevier Surface Science v 500, pp 218-241, 2002.
MELO, V. S.; Nanotecnologia Aplicada: Efeito de Mistura de Nanotubos de Carbono em Matrizes de Cimento Portland, 2009. 146 f. Dissertação (Mestre em Construção Civil) – Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2009
YU, M.-F. , et al., - , Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load, Science, v 287, pp 637-640, 2000.
MAKAR J., MARGESON J., LUH J. - Carbon nanotube/cement composites- early results and potential applications. In: 3rd International Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications, Vancouver, Canada, 2005.