Alternativa para diminuição do consumo de cimento Portland em concretos: utilização de nanotubos de carbono de paredes múltiplas

Abstract

A utilização da nanotecnologia em compósitos cimentícios vem sendo amplamente estudada nos últimos anos. Dentro desse contexto, existem vários tipos de nanomateriais que podem aprimorar as características de compósitos cimentícios, como o nanotubo de carbono (NTC). Os nanotubos de carbono podem ser de paredes simples (NTCPS) ou múltiplas (NTCPM), sendo estes últimos o produto mais encontrado no mercado. Portanto, é de suma importância entender seu comportamento quando inserido em compósitos cimentícios. Muitos trabalhos vêm relatando a utilização desse nanoproduto principalmente em pastas de cimento Portland e argamassas. Contudo, ainda são poucos os trabalhos encontrados na literatura que estudam a utilização desse nanomaterial em concreto de cimento Portland. Com isso em mente, o presente estudo teve como objetivo utilizar o NTCPM para produção de concretos com diminuição do consumo de cimento Portland sem alterar sua resistência à compressão aos 28 dias. Para isso, foram produzidas argamassas para determinar o método de dispersão e inserção na mistura cimentícia e o grau de redução ideal do consumo de cimento Portland que acarretasse resistência semelhante entre a mistura de referência e aquela com a inserção de MWCNT. Foi encontrado que o teor ideal de diminuição do consumo de cimento Portland foi de 10%, com o qual foram produzidos concretos com três relações a/c diferentes para analisar melhor seu comportamento. Ainda, além do concreto referência (REF) e do concreto com NTCPM com diminuição do consumo de 10% de cimento Portland (S10), foram produzidos concretos com NTCPM sem aplicar diminuição do consumo de cimento Portland (MWCNT) e com diminuição do consumo de cimento Portland com teor ideal de diminuição do consumo de cimento Portland sem o NTCPM (SW10). As propriedades reológicas dos concretos foram alteradas pela utilização do NTPCM, portanto, houve aumento dos parâmetros reológicos tensão de escoamento e viscosidade dos concretos produzidos com o nanomaterial, independentemente da relação a/c utilizada. Além disso, o ensaio de retração e de módulo de elasticidade mostrou que concretos com a inserção do NTCPM resultaram em melhoramentos nesses dois quesitos. O ensaio de absorção por imersão indicou que a inserção do nanomaterial não fez alterar a porosidade aberta do compósito, ou seja, o índice de vazios não sofreu alteração significativa pela inserção do nanomaterial. Foram também realizadas análises de microestrutura e cinética de hidratação de pastas produzidas com o NTCPM, com e sem o teor ideal de diminuição do consumo de cimento Portland. Para isso, foram realizados os ensaios de calorimetria isotérmica, difratometria em raios-x (DRX) e Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados desses ensaios mostraram que não houve formação de novas fases/compostos resultados do processo de hidratação das partículas de cimento Portland pela inserção do NTCPM. Assim, os aprimoramentos das propriedades mecânicas e retração por secagem dos concretos com a presença do NTCPM foram atribuídos a seu efeito físico de preenchimento e de ponte de ligação. Foi observado que se conseguiu produzir concreto com diminuição do consumo de cimento Portland com o teor ideal de 10% com o NTCPM (S10) com mesma resistência do concreto de referência (REF), demonstra, portanto, que a utilização de NTCPM pode ser uma ferramenta sustentável na indústria da construção civil, diminuindo o consumo de cimento Portland em concretos.

Abstract: The use of nanotechnology in cementitious composites has been widely studied in recent years. Within this context, there are several types of nanomaterials that can improve the characteristics of cement composites, such as carbon nanotubes (NTC). Carbon nanotubes can be single-walled (NTCPS) or multiple-walled (NTCPM), the most commonly found product on the market is NTCPM. Therefore, it is extremely important to understand its behavior when inserted in cementitious composites. Many works have been reporting the use of this nano product mainly in Portland cement pastes and mortars, there are still few works found in the literature that study the use of this nanomaterial in Portland cement concrete. With that in mind, the present study aimed to use NTCPM for the production of concrete with reduced consumption of Portland cement without changing its compressive strength at 28 days. For this, mortars were produced to determine the method of dispersion and insertion in the cement mixture and what would be the ideal reduction in the consumption of Portland cement that would cause similar resistance between the reference mixture and the one with the insertion of MWCNT. It was found that the ideal content to decrease the consumption of Portland cement was 10%, with this ideal content, concretes were produced with three different w/c ratios to better analyze their behavior. Also, in addition to reference concrete (REF) and concrete with NTCPM with a 10% reduction in the consumption of Portland cement (S10), concretes with NTCPM were produced without applying a reduction in the consumption of Portland cement (MWCNT) and with a reduction in the consumption of Portland cement with ideal content to reduce the consumption of Portland cement without NTCPM (SW10). The rheological properties of the concrete were altered by the use of NTPCM, therefore, there was an increase in the rheological parameters yield stress and viscosity of the concrete produced with the nanomaterial, regardless of the w/c ratio used. In addition, the shrinkage and elastic modulus test showed that concretes with the insertion of NTCPM resulted in improvements in terms of drying shrinkage and elastic modulus. The immersion absorption test indicated that the insertion of the nanomaterial did not change the open porosity of the composite, that is, the void index did not change significantly by the insertion of the nanomaterial. Analyzes of microstructure and hydration kinetics of pastes produced with NTCPM were also carried out, with and without the ideal content to decrease the consumption of Portland cement. For this, tests of isothermal calorimetry, x-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were performed. The results of these tests showed that there was no formation of new phases/compounds resulting from the hydration process of Portland cement particles by the insertion of NTCPM. Thus, the improvements in the mechanical properties and drying shrinkage of concrete with the presence of NTCPM were attributed to its physical effect of filling and bonding bridge. It was reported that it was possible to produce concrete with reduced consumption of Portland cement with the ideal content of 10% with NTCPM (S10) with the same strength as the reference concrete (REF), so this demonstrates that the use of NTCPM can be a tool in the construction industry, reducing the consumption of Portland cement in concrete.