INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS DO CONCRETO: UMA ANÁLISE DO CENÁRIO ATUAL DO...
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UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL PÓS-GRADUAÇÃO EM GERENCIAMENTO DA CONSTRUÇÃO CIVIL INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS DO CONCRETO: UMA ANÁLISE DO CENÁRIO ATUAL DO CONCRETO NA CONSTRUÇÃO CIVIL E SUAS EXPECTATIVAS. DEÓGENES COELHO RODRIGUES JUAZEIRO DO NORTE / CE 2017
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UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT
DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL
PÓS-GRADUAÇÃO EM GERENCIAMENTO DA CONSTRUÇÃO CIVIL
INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS DO CONCRETO: UMA
ANÁLISE DO CENÁRIO ATUAL DO CONCRETO NA
CONSTRUÇÃO CIVIL E SUAS EXPECTATIVAS.
DEÓGENES COELHO RODRIGUES
JUAZEIRO DO NORTE / CE
2017
1
DEÓGENES COELHO RODRIGUES
Aluno do Curso de Pós-Graduação em Gerenciamento da Construção Civil
- URCA
Monografia apresentada como requisito parcial
para obtenção do grau de especialista em
Gerenciamento da Construção Civil, pela
Universidade Regional do Cariri – URCA.
Orientador: Prof. Msc. Jefferson Luiz Alves
Marinho.
Coorientador: Prof. Esp. Antônio Alex Matias
Lêu.
JUAZEIRO DO NORTE / CE
2017
2
INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS DO CONCRETO: UMA
ANÁLISE DO CENÁRIO ATUAL DO CONCRETO NA
CONSTRUÇÃO CIVIL E SUAS EXPECTATIVAS.
Elaborado por Deógenes Coelho Rodrigues
Aluno do Curso de Pós-Graduação em Gerenciamento da Construção Civil
- URCA
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________
Prof. Msc. Jefferson Luiz Alves Marinho.
(Orientador)
___________________________________________
Prof. Parecista
___________________________________________
Prof. Convidado
Monografia aprovada em: ____/____/____, com nota ____.
JUAZEIRO DO NORTE / CE
2017
3
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação da estrutura C-S-H em via descendente - top-down.......................28
Figura 2 - Representação esquemática de uma camada de grafite (grafeno) que origina um
nanotubo de carbono.................................................................................................................33
Figura 3 - Nanotubo de carbono, em escala, em relação a um fio de cabelo...........................34
Figura 4 - Representação esquemática de um reator CVD, com forno de duas zonas e um
precursor liquido.......................................................................................................................37
Figura 5 - MEV indicando os NTC (setas em vermelho) no composto com matriz de
cimento......................................................................................................................................38
Figura 6 - Reação entre os NTC e o CH e C-S-H do cimento hidratado.................................39
Figura 7 - Peça de Ductal desenvolvida pela empresa francesa Lafarge.................................42
Figura 8 - Efeito de limpeza através de uma superfície nano-revestida..................................43
Figura 9 - Jubille Church em Roma, nano-monitorada, mantendo sua cor brilhante por causa
do dióxido de titânio nanoestruturado.......................................................................................44
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
a/c – Relação Água/Cimento
ACI – American Concrete Institute
AFM – Microscópio de Força Atômica
ASTM – American Society for Testing and Materials
CaO – Oxido de Cálcio
CC – Concreto Convencional
CH – Hidróxido de Cálcio
CO2 – Dióxido de Carbono
CP – Cimento Portland
C-C – Ligação Carbônica
C-S-H – Silicatos de cálcio hidratado
CVD – Chemical Vapour Deposition
EMBRAPA – Empresa Brasileira Pesquisa Agropecuária
Fe2O3 – Trióxido de Ferro
ƒck – Resistência a compressão axial
HNO3 – Ácido Nítrico
H2SO4 – Acido Sulfúrico
IBM – International Business Machines
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas
IRC – Innovation Rrecherche Construction
MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura
MIT – Massachussets Institute of Technology
NTC – Nanotubos de Carbono
NS – Nanossílica
SiO2 – Dióxido de Silício
SiO4 – Sílica
SNIC – Sindicato Nacional da Indústria do Cimento
STM – Microscópio de Varredura por Tunelamento
TCC – Trabalho de Conclusão de Curso
TiO2 – Dióxido de Titâneo
UFC – Universidade Federal do Ceara
UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais
5
UFPR – Universidade Federal do Pará
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
UNICAMP – Universidade de Campinas
URCA – Universidade Regional do Cariri
USP – Universidade de São Paulo
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LISTA DE UNIDADES
g/cm³ – gramas por centímetros cúbicos
kgf/cm² – quilograma força por centímetro quadrado
m – metro
μm – micrometro
nm – nanômetro
Mpa – mega Pascal
mm – milímetros
m²/g – metros quadrados por grama
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RESUMO
O setor da construção civil tem crescido como nunca, e o concreto é um dos principais
responsáveis pelo desenvolvimento de estudos que possibilitem a construção de obras cada
vez maiores e mais resistentes, para tanto, há a necessidade de se buscar alternativas ao uso
convencional e investir no que há de mais promissor atualmente nesse meio tecnológico e
nanotecnológico. A nanotecnologia explora as propriedades e os fenômenos que ocorrem na
nanoescala. Nessa escala, a matéria apresenta um comportamento diferenciado devido aos
efeitos quânticos que prevalecem, dentre os quais predominam os altos efeitos de superfícies e
interfaces. O refino da estrutura dos materiais ou a incorporação de nano-objetos permite o
aumento das superfícies de contato e a reatividade, o que gera várias vantagens em termos de
reforço e de eficiência. Isso abre grandes perspectivas para a fabricação de novos materiais.
Na indústria da construção, a nanotecnologia tem potencial para melhorar muitos materiais de
construção. O concreto, que possui as nanoestruturas complexas do cimento e de seus
hidratos, é uma excelente alternativa para a manipulação e o controle de suas propriedades
através da nanotecnologia. A adição de nanopartículas ao concreto, por exemplo, permitirá
um melhor controle da sua microestrutura, o que não é permitido nas tecnologias atuais,
possibilitando a produção de materiais mais resistentes e mais duráveis. A capacidade de
programar a difusão progressiva dos aditivos químicos no concreto permitirá tornar mais
eficientes as operações no canteiro, e a utilização de ligantes reforçados com fibras, e
armaduras de diâmetro nanométrico permitirão produzir produtos cimentícios mais
resistentes, impedindo a formação e a propagação de fissuras. Pretende-se, neste trabalho,
mostrar o grande potencial da nanotecnologia na criação e desenvolvimento de novos
materiais que possibilitarão a produção de um super-concreto e suas expectativas.
Palavras-Chave: Nanotecnologia, Carbono, Nanotubos, Concreto, Construção Civil.
8
ABSTRACT
The construction sector has grown as ever, and the concrete is a major contributor to the
development of studies for the construction works of bigger and stronger, therefore, there is
the need to seek alternatives to the conventional use and invest in what is currently the most
promising in this technological and nanotechnological means. The nanotechnology explores
the properties and the phenomena that occur in nanoescale. In this scale, the substance
presents a differentiated behavior due to the quantum effect that prevails, amongst which
predominates the high effect of surfaces and interfaces. The refining of the structure of the
materials or the incorporation of nano objects allows to the increase of the faying surfaces and
the reactivity, what it generates some advantages in efficiency and reinforcement terms. This
opens great perspectives for the manufacture of new materials. In the industry of the
construction, the nanotechnology has potential to improve many materials of construction.
The concrete, that possesses the complex nanostructures of the cement and its hydrates, it’s a
great alternative for the manipulation and the control of its properties through the
nanotechnology. The addition of nanoparticulas to the concrete, for example, will allow one
better control of its microstructure, what it is not allowed the current technologies, making
possible the production of more resistant and more durable materials. The capacity to program
the gradual diffusion of chemical additives in the concrete will allow becoming more efficient
the operations in the seedbed, and the use of legates strengthened with staple fibres and
armors of nanometrico diameter will allow to produce cimenticios products more resistant,
hindering the formation and the propagation of fictions. It is intended, in this work, to show to
the great potential of the nanotechnology in the creation and development of new materials
that will make possible the production of a super concrete.
Word-Key: Nanotechnology, Carbon, Nanotubes, Concrete, Civil Construction.
9
SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO.................................................................................................................11
2.0 NANOTECNOLOGIA.....................................................................................................15
2.1 RISCOS E PRECAUÇÕES DA NANOTECNOLOGIA.......................................18
2.2 PREVISÕES DA NANOTECNOLOGIA..............................................................20
2.3 NANOTECNOLOGIA A SERVIÇO DA CONSTRUÇÃO CIVIL.......................21
3.0 INOVAÇÕES NANOTECNOLÓGICAS NA CONSTRUÇÃO CIVIL......................22
3.1 DEFINICÃO E ESTRUTURA DO CONCRETO CONVENCIONAL.................22
3.1.1 Agregado..................................................................................................23
3.1.2 Pasta de Cimento......................................................................................23
3.1.3 Água.........................................................................................................24
3.1.4 Zona de Transição do Concreto................................................................25
3.2 NANOTECNOLOGIA E CIMENTO.....................................................................25
3.2.1 Estrutura do C-S-H no Cimento Portland.................................................27
3.2.2 Últimos estudos sobre a natureza da coesão do C-S-H............................28
3.2.3 Materiais a base de cimento Portland com nanopartículas.......................29
3.2.3.1 Vantagens da utilização de nanopartículas................................30
3.3 CARBONO NANOTECNOLÓGICO....................................................................32
3.3.1 Grafeno.....................................................................................................32
3.3.2 Nanotubos de Carbono (NTC)..................................................................33
3.4 UTILIZAÇÃO E PRODUÇÃO DOS NTC............................................................34
3.4.1 Utilização dos NTC..................................................................................34
3.4.2 Produção dos NTC...................................................................................36
3.5 NTC NA COMPOSIÇÃO DO CONCRETO..........................................................38
3.5.1 Matriz Cimentícea Reforçada com NTC..................................................38
4.0 DESENVOLVIMENTO ATUAL E EXPECTATIVAS FUTURAS............................40
4.1 NANOTECNOLOGIA ATUALMENTE...............................................................40
4.2 DESAFIOS DA NANOTENOLOGIA DO CARBONO NO BRASIL..................40
4.3 CONSTRUCÕES DO FUTURO............................................................................41
10
4.3.1 Dobrando o Nanoconcreto........................................................................41
4.3.2 Nano-Revestindo o Concreto...................................................................42
4.3.3 Nano-Monitorando o Concreto.................................................................43
5.0 CONCLUSÃO...................................................................................................................45
6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................48
11
1.0 INTRODUÇÃO
Em 1928, a área da construção civil experimentou uma evolução com a inserção, na
estrutura do concreto armado, de cabos de aço capazes de suportar cargas elevadas e melhorar
seu desempenho. O francês Eugene Freyssinet criou um método que permitiu ao concreto
armado superar a baixa resistência à tração. Baseava-se na chamada protensão, que consiste
no uso de cabos de aço de alta resistência, tracionados e ancorados no próprio concreto
armado. Esse artificio cria uma forca de compressão que compensa ou reduz as tensões de
tração sofridas pelo concreto quando pressionado por uma carga. Nascia ali o concreto
protendido.
Neste início do século XXI, vivencia-se uma nova superação no desempenho de
estruturas de concreto. A ansiedade e a expectativa são grandes, pois as estimativas feitas
através de várias pesquisas são, além de tudo, curiosas.
Há muito tempo, foi descoberto que a matéria era feita por átomos, que se ligam e
formam as moléculas. Com o conhecimento do modo de agrupamento de átomos ou
moléculas, formando sólidos ou líquidos, foi possível a obtenção de importantes avanços na
ciência e na tecnologia dos materiais.
Um dos maiores físicos do século XX, Richard Feynman, responsável pelo primeiro
uso dos processadores paralelos no mundo, já questionava a construção de novos materiais
pela manipulação de átomo a átomo. Esse questionamento abriria caminho para a
Nanotecnologia, que tem por objetivo, segundo a proposta de Feynman, criar novos materiais
e desenvolver novos produtos e processos baseados na crescente capacidade da tecnologia
moderna de ver e manipular átomos e moléculas.
A Nanotecnologia e a Nanociência foram descobertas recentemente e têm por meta
dominar parte, mesmo que pequena, do virtuosismo da natureza na organização da matéria,
átomo por átomo, molécula por molécula. São áreas que apresentam grande potencial para o
desenvolvimento de novos materiais e novas aplicações. Recentemente, inúmeros
pesquisadores estão utilizando o conceito de nanotecnologia para criação de compostos de
cimento Portland, na qual se busca a compreensão da hidratação das partículas de cimento e a
adição de partículas manométricas (nm), seja nanosílica ou nanofibras.
A busca pela compreensão detalhada desses fatores e da forma com que eles
influenciam as propriedades das estruturas nanométricas é bastante intensa. Surge, então, a
possibilidade de, a partir do controle do tamanho e da forma das nanoestruturas, aprimorar as
propriedades dos materiais, criando-se dispositivos com características especiais, selecionadas
12
de acordo com a necessidade das aplicações. Tal estudo abre espaço para uma revolução na
ciência e na tecnologia, em âmbito mundial.
Essa revolução é bem mais importante, e mais desafiadora, do que aquelas que
presidiram o domínio do homem sobre as forças da natureza nas três revoluções anteriores, ou
etapas precedentes de progressos materiais e tecnológicos desta nossa civilização industrial.
A primeira revolução industrial, iniciada na Grã-Bretanha, há pouco mais de dois
séculos, assistiu à transformação da energia em força mecânica, sob a forma de caldeiras e
máquinas a vapor, resultando no impulso dado às indústrias manufatureiras, com destaque
para o setor têxtil, e aos transportes aquaviários e ferroviários. Ao mesmo tempo, começou a
funcionar o primeiro instrumento verdadeiramente universal de comunicação quase
instantânea, o telégrafo, que representou uma espécie de internet da era vitoriana.
Na segunda revolução industrial, um século após, o destaque ficou com a eletricidade
e a química, resultando em novos tipos de motores elétricos e à explosão, em novos materiais
e processos inéditos de fabricação, do telégrafo sem fio e, logo mais adiante, do rádio,
difundindo instantaneamente a informação pelo espaço.
A terceira revolução industrial, contemporânea, por sua vez, mobilizou circuitos
eletrônicos e, logo em seguida, os circuitos integrados, os famosos microchips, que
transformaram irremediavelmente as formas de comunicação e de informação, com a
explosão da internet e do comércio eletrônico, voltado crescentemente para o lazer.
A quarta revolução industrial, na qual se esta prestes a vivenciar, neste momento
histórico, mobiliza, fundamentalmente, as ciências da vida, sob a forma da biotecnologia, bem
como uma gama multidisciplinar de ciências exatas e cognitivas que responde pelo nome de
nanociência. Esta, por sua vez, se confunde, praticamente, com suas materializações práticas,
sob a forma da nanotecnologia.
Desde várias décadas, senão há mais de um século, os cientistas tentam domar o
infinitamente pequeno, plenamente conscientes de que é ao nível das moléculas, das
partículas e dos átomos que se joga parte importante do jogo da vida e da própria composição
e funcionamento do infinitamente grande, isto é, do universo.
A Universidade de Tóquio e a Universidade Federal de Minas Gerais estão
desenvolvendo vários estudos que consistem na inserção de nanotubos de carbono (NTC) no
concreto, o que acarretará em um aumento significativo na sua resistência, tanto à compressão
quanto, principalmente, à tração, além da diminuição do peso final das estruturas.
No setor da construção, a nanotecnologia tem potencial para melhorar muitos
materiais de construção, tais como aços estruturais, polímeros, materiais cerâmicos e
13
materiais cimentícios. O desenvolvimento de materiais em nanoescala poderia, por exemplo,
tornar as estruturas mais resistentes, leves e seguras; os sistemas de fechamento e de vedação
mais isolantes, térmica e acusticamente, com várias funcionalidades adicionais tais como
captação e armazenamento de energia, autorreparo, auto-limpeza, proteção contra o fogo,
aquecimento/resfriamento.
A maioria dos avanços no desempenho dos materiais cimentícios conseguidos nas
últimas décadas foram realizados através da otimização dos empacotamentos granulares e,
sobretudo, pela redução da porosidade capilar com a utilização racional de aditivos químicos
cada vez mais eficientes.
Com a aplicação da nanotecnologia, utilizando os nanotubos de carbono na construção
civil, em especial no concreto, verifica-se o envolvimento de todos nós com a nova era do
concreto, conhecido como nanoconcreto ou concreto nanotecnológico.
Este trabalho justifica-se devido a importância da divulgação desta inovação
nanotecnológica do concreto como material para utilização na indústria da construção civil,
devido a nanotecnologia ter potencial para melhorar muitos materiais de construção, tais
como: aços estruturais, polímeros, materiais cerâmicos e materiais cimentícios.
O desenvolvimento de materiais nanomodificados, como os nanotubos de carbono,
que são tão flexíveis quanto resistentes, poderia, por exemplo, tornar as estruturas mais
resistentes, leves e seguras; provocar modificações significativas nas propriedades dos
concretos, tais como: resistência à compressão e melhoria na matriz cimentícia.
Com a utilização adequada, o setor de construção pode ter ganhos técnicos e
econômicos expressivos. O estudo das características da nanotecnologia e a proporção
adequada para sua utilização no concreto visam contribuir para uma futura regulamentação
tecnológica.
O objetivo deste trabalho é mostrar o enorme potencial da nanociência e
nanotecnologia na criação e desenvolvimento de novos materiais que possibilitarão a
produção de um super-concreto, explorando a aplicabilidade da nanotecnologia na construção
civil, especificamente para um estudo do desempenho do concreto nanotecnológico. Além
disso, tem-se o interesse em abordar algumas propriedades do produto, fornecendo possíveis
características do nano-material já adicionado ao concreto, tais como: resistência à
compressão, resistência à tração e flexão, bem como a melhoria da matriz cimentícia.
Como objetivos específicos, pretende-se: descrever o amplo potencial nanotecnológico
na indústria da construção civil; analisar os efeitos da incorporação de nanotubos de carbono
14
no concreto; ressaltar a importância e o surgimento de uma nova era tecnológica na
Engenharia Civil.
O presente trabalho foi desenvolvido tendo como metodologia uma pesquisa
bibliográfica a partir de materiais publicados em livros, artigos, dissertações e teses, que
tratam do assunto no Brasil e no mundo.
Utilizou-se uma refinada e exclusiva área de estudo para o desenvolvimento deste
trabalho, uma vez que, devido à recente aplicação do termo nanotecnologia à construção civil,
encontrou-se uma série de trabalhos com ótimas conclusões estimadas a respeito do tema,
demonstrando também, grande potencial para o setor construtivo, pois com a utilização
adequada, o setor de construção pode ter ganhos técnicos e econômicos expressivos. O estudo
das características da nanotecnologia e a proporção adequada para sua utilização no concreto
visam contribuir para uma futura regulamentação tecnológica.
Para a efetivação deste estudo foram utilizados meios como: embasamento teórico,
teses, dissertações, artigos científicos, livros sobre Arquitetura e Engenharia Civil, em
especial o tema Nanotecnologia dos Materiais. As bases de dados utilizadas foram
fundamentadas nos levantamentos de análises de resultados anteriores em dissertações de
mestrados e doutorados, artigos e periódicos, buscando verificar os principais pontos
relacionados com a aquisição de informações necessárias à nanotecnologia aplicada ao
concreto, observando os métodos utilizados para o desenvolvimento dos nanotubos de
carbono em laboratório, sendo aplicado na fabricação do nanocimento.
Portanto, neste trabalho serão apresentados os principais temas que envolvem o
processo nanotecnológio, bem como a sua aplicação no campo da construção civil, definições,
composições, métodos de geração e desenvolvimento, aglutinando informações, comentários
e exemplos sobre as mais recentes matérias publicadas a respeito do tema proposto.
15
2.0 NANOTECNOLOGIA
Conduzir a uma única definição para o termo nanotecnologia seria algo incomum,
porém pode-se descrever de uma maneira geral que nanotecnologia é a destreza em manipular
estruturas em escala nanométrica com o objetivo de desenvolver materiais com propriedades
melhoradas ou totalmente novos.
Richard Feynman, ganhador de dois prêmios Nobel, em 1959 propôs que era possível
a manipulação átomo por átomo e mostrou que não há razões físicas que impeçam tal prática,
embora nenhuma manipulação tenha sido registrada até aquele ano devido a limitações de
conhecimento da técnica e de equipamentos apropriados para isso. Em meados dos anos 70, o
pesquisador Norio Taniguchi, da universidade de Tóquio atribui o nome nanotecnologia ao
campo da engenharia de baixas dimensões e faz uma divisão entre engenharia em escala
micrométrica e submicrométrica (MORAIS, 2012, p. 30).
O tratamento refinado da estrutura dos materiais ou a incorporação de nano objetos
permite o aumento das superfícies de contato e a reatividade, o que gera várias vantagens em
termos de reforço e de eficiência. Isso abre grandes perspectivas a respeito da fabricação de
novos materiais de síntese com propriedades inovadoras.
A nanociência/nanotecnologia é intrinsecamente multidisciplinar e sua aplicação
abrange todas as áreas de ciência com interações fortes e múltiplas entre elas química, física,
ciências da saúde, ciências de materiais, engenharias e etc.
A nanotecnologia é, portanto, de acordo com Ribold (2009), a engenharia dos
materiais e estruturas com tamanho variando de 1 a 100 nanômetros.
Ela explora as propriedades e fenômenos que ocorrem em nanoescala. Essa é a escala
na qual a matéria apresenta um comportamento especial devido aos efeitos quânticos que
prevalecem até 10 nm, conhecidos como efeitos de baixa dimensão. Esses efeitos ocorrem ao
se considerar superfícies, camadas de impurezas, localizadas ou vacâncias no estudo de
materiais. (LEITE et al, 2004, p. 385).
Segundo Sanches (2010 apud Morais, 2012), quando se alteram as dimensões de um
material do tamanho macro para o nano, ocorrem mudanças significativas em sua
condutividade elétrica, absorção ótica, reatividade química e nas propriedades mecânicas.
Com a redução no tamanho, mais átomos localizam-se na superfície das partículas,
implicando a uma mudança considerável na energia de superfície e na morfologia desta
superfície. Como resultado, todos esses fatores alteram as propriedades básicas e a reatividade
química dos nanomateriais.
16
Falar de nanotecnologia é também ressaltar que a tecnologia está presente nas ações
humanas, sendo propícia ao desenvolvimento como também põe o meio ambiente em risco.
As nanotecnologias, técnicas de manipular a matéria na dimensão do átomo, deriva à
amplitude de suas aplicações e ao potencial de inovação, podem ser consideradas um dos
pilares da nova revolução tecnológica do século XXI.
Muitos são os benefícios e as aplicações que a Nanotecnologia pode trazer para a
sociedade e o meio ambiente. Mas, também é importante ressaltar os riscos que a má
utilização desta tecnologia pode acarretar se não forem traçadas metas que acompanhem esse
desenvolvimento e crescimento.
Essa nova tecnologia é apontada como uma oportunidade ímpar para o
desenvolvimento econômico, colocando a sociedade diante da incerteza quanto aos riscos
para o meio ambiente e à saúde humana (ENGELMANN; FILHO, 2010, p. 51).
Para Durán (2006), a nanociência e a nanotecnologia são campos muito amplos e
interdisciplinares que estende o estudo dos materiais para o domínio de partículas e interfaces
com dimensões extremamente pequenas.
Isso ocorre de tal forma que o interesse, a criação, a exploração, o desenvolvimento, o
aproveitamento e o desejo de compreender e controlar o mecanismo que rege a organização e
as propriedades destes materiais promoveram o envolvimento de diversas áreas do
conhecimento.
Sanches (2010, apud Morais, 2012, p. 37), diz que há duas maneiras de se produzir
nanomateriais, nanocomponentes ou nanosistemas:
1) A via descendente - top-down: o material é dividido para atingir as menores
dimensões possíveis. É a via que foi seguida pela indústria eletrônica durante os
últimos trinta anos. Os computadores modernos são o principal fruto desta revolução
tecnológica. O esforço de miniaturização conduziu num primeiro tempo a produção
de componentes de dimensões micrométricas que atingem hoje em dia a centenas de
nanômetros.
2) A via ascendente - bottom-up: os átomos são ligados um a um para
construírem as moléculas que são integradas em sistemas maiores. Esta via,
inspirada do mundo da química e da biologia, consiste em construir nanosistemas a
partir de elementos de base que são os átomos, da mesma maneira que se constrói
uma casa tijolo por tijolo.
De acordo com Ribold (2009), a nanotecnologia se fundamenta no desenvolvimento
de técnicas e de ferramentas adequadas para posicionar átomos e moléculas em locais
previamente estabelecidos, de maneira a obter estruturas e materiais de interesse. Para tanto,
17
estão sendo constantemente desenvolvidos instrumentos adequados para trabalhar nessa
escala microscópica.
Como disse Marcondes (2012), o surgimento desta tendência recente de
desenvolvimento de nanotecnologia abriu uma nova possibilidade para o melhoramento dos
materiais cimentícios como concretos e argamassas, e atualmente as adições em nano escala
mais utilizadas são a nanossílica (NS) e os nanotubos de carbono (NTC).
A justificativa para isto é que algumas pesquisas já realizadas comprovaram o bom
desempenho das nanopartículas quando adicionadas a argamassas de cimento. Devido ao seu
tamanho minúsculo, tais partículas contribuem para o preenchimento de vazios e,
conseqüentemente, para a melhoria de diversas propriedades desses materiais.
O significado de nanotecnologia vem do prefixo grego “nânos”, que significa anão e
de “téchne” equivale a ofício e logos, a conhecimento. É o ponto de partida, o termo
nanotecnologia refere-se ao tamanho da intervenção humana sobre a matéria.
Durán, Mattoso e Morais (2006, p. 19) dizem que:
“[...] nano é um termo técnico usado em qualquer unidade de medida, significando
um bilionésimo dessa unidade, por exemplo, um nanômetro equivale a um
bilionésimo de um metro (1nm = 1/1.000.000.000m) ou aproximadamente a
distância ocupada por cerca de 5 a 10 átomos, empilhados de maneira a formar uma
linha [...].”
O manuseio na escala manométrica (menor que 100 nanômetros) lidam com mudanças
surpreendentes das propriedades da matéria, devido aos "efeitos quânticos". Observados em
nanoescala os materiais podem exibir características diferentes das substâncias em escala
micro ou macro, tais como: novas propriedades mecânicas, materiais que se tornam mais
resistentes, mais fortes, mais leves, mais elásticos; novas propriedades óticas que possibilitam
o controle da cor da luz pela escolha seletiva do tamanho do nano objeto (lasers, diodos com
frequências diferentes e apropriadas a diversos usos); novas propriedades magnéticas que
aperfeiçoam os usos na eletrônica, em computadores e nas telecomunicações. (DURAN,
MATTOSO; MORAIS, 2006, p. 21).
A nanociência e a nanotecnologia, essencialmente interdisciplinares, potencializam a
nova convergência tecnológica decorrente da combinação de diferentes áreas do
conhecimento, com um imenso potencial de inovação.
A mais recente aplicação da Nanotecnologia está direcionada para a Construção Civil,
uma vez que ela pode tornar os materiais mais leves e resistentes, utilizando-se para isso de
menos matérias-primas e energia.
18
Na indústria da construção civil, a nanotecnologia tem potencial para melhorar muitos
materiais de construção, tais como: aços estruturais, polímeros, materiais cerâmicos e
materiais cimentícios.
No Brasil, a nanotecnologia ainda está começando, mas já há resultados importantes.
Por exemplo, um grupo de pesquisadores da EMBRAPA, liderados pelo Dr. L. H. Mattoso,
desenvolveu uma "língua eletrônica", um dispositivo que combina sensores químicos de
espessura nanométrica, com um sofisticado programa de computador para detectar sabores
(EMBRAPA, 2001).
Segundo Duran et al (2006), Mais do que uma simples hiperminiaturizacão, o controle
da matéria na escala manométrica abre, sobretudo enormes perspectivas na possibilidade de
criar materiais, dispositivos e sistemas com novas funções e propriedades.
A nanotecnologia é extremamente importante para o Brasil, porque a indústria
brasileira terá de competir internacionalmente com novos produtos, que já estão em uso em
alguns países desenvolvidos. Esta competição somente será bem sucedida com produtos e
processos inovadores, que se comparem aos melhores que a indústria internacional oferece.
Isso significa que o conteúdo tecnológico dos produtos ofertados pela indústria brasileira terá
de crescer substancialmente nos próximos anos e que a força de trabalho do país terá de
receber um nível de educação em ciência e tecnologia muito mais elevado do que o de hoje.
Esse será, sem dúvida, um grande desafio para as politicas públicas, educação e ciência
brasileira.
2.1 RISCOS E PRECAUÇÕES DA NANOTECNOLOGIA
O risco da nanotecnologia se potencializa na medida em que avançam suas aplicações,
sem ocorrer o mesmo com as pesquisas voltadas para análise de suas consequências sociais,
econômicas e ambientais. A falta de informação acerca dos efeitos nocivos das inovações
tecnológicas no meio ambiente e na saúde humana serve de argumento para medidas de
prudência. (EURORESIDENTES, 2000 apud NETO, 2013, p. 6).
Dito de outra forma, a incerteza científica quanto aos danos potenciais das diversas
aplicações da nanotecnologia não é justificativa para a inação. A omissão de hoje pode gerar
danos sérios e irreversíveis no futuro. Não se deve negligenciar o princípio da precaução
como importante fundamento na discussão de políticas de gestão de risco e regulamentação da
nanotecnologia.
19
Para Duran, Mattoso e Morais (2006, p. 227), é de suma importância o debate sobre a
necessidade de regulamentação estatal e as possibilidades de autorregularão dos usos da
nanotecnologia. Nesse sentido, a criação de normas jurídicas é fundamental e a autorregularão
deve ser vista como complementar.
Para poder usufruir dos enormes benefícios da nanotecnologia molecular, é
imprescindível defrontar os riscos e resolvê-los. A chegada repentina da fabricação molecular
poderá não der tempo suficiente para ajustar-se à suas implicações. Por essa razão, é
imprescindível uma preparação adequada.
De acordo com Neto (2013), a Revista Nanotecnologia já identificou alguns dos riscos
mais preocupantes da nanotecnologia. Alguns deles suportam riscos existenciais, ou seja,
podem ameaçar a continuidade da humanidade. No entanto, outros poderiam causar grandes
mudanças sem a destruição da própria espécie. As combinações de diversos riscos poderiam
piorar a gravidade de cada um. Cada solução deve ter em conta o impacto que teria sobre
outros riscos.
Uma série de atitudes prevencionistas e pró-ativas por parte dos profissionais
envolvidos direta e indiretamente com o manuseio de espécies nanométricas, aliadas a uma
atuação consciente, responsável e baseada na utilização das melhores práticas disponíveis
numa atuação direta e conjunta da engenharia de segurança e medicina do trabalho,
engenharia de processo/produção e pesquisa e desenvolvimento são pontos chaves para o
sucesso da implatanção e utilização da nanotecnologia nos processo industriais de forma
segura.
Não se pode perder de vista que, em função de seu diminuto tamanho e elevada área
superficial, as propriedades e o comportamento dos nanomateriais exigem mudanças e
modificações na concepção dos processos e produtos. A redução, minimização e eliminação
dos riscos envolvidos nas diversas etapas e atividades laborais envolvendo o contato dos
trabalhadores com nanopartículas, são as etapas mais importantes para a garantia de que a
nanotecnologia possa ser utilizada de forma completamente segura.
Alguns dos riscos têm origem na falta de pouca regulação, outros, porém, na sua
excessiva regulação. Por essa razão, deve-se evitar a tentação e impor soluções aparentemente
óbvias e simples em problemas únicos. A própria descoberta de alguns possíveis perigos da
nanotecnologia é tão grande que a sociedade não poderá assumir o risco de diferentes
métodos para impedi-lo. Não podemos tolerar uma fuga de auto-replicadores (gray goo) ou a
corrida inconstante de armas fabricadas através da nanotecnologia . (NETO, 2013, p. 8).
20
No Brasil, é preciso que os movimentos sociais e as organizações da sociedade civil
façam um amplo debate e exijam que o Estado cumpra seu papel regulador. Apenas à
indústria interessa o entendimento de que a regulamentação que existe é suficiente para
regular os produtos nanotecnológicos, pois, como vimos neste breve material, a mudança para
a escala nanométrica de manipulação altera de maneira substancial os produtos resultantes.
2.2 PREVISÕES DA NANOTECNOLOGIA
A nanotecnologia é uma das promessas para melhorar a qualidade de vida do ser
humano. A expectativa é que ela possa gerar produtos e processos mais eficientes e
econômicos, com menor gasto de energia e menos agressivos ao meio ambiente. Mas, para
que isso se torne realidade é necessário ultrapassar a barreira da pesquisa e, só então, entrar na
fase de fabricação e possível comercialização.
A pesquisa em nanossistemas concentra um gigantesco esforço científico para
entender e explorar sistemas muito pequenos. A industrialização de nanocircuitos, ou
nanodispositivos, requer a avaliação precisa de aspectos como a confiabilidade e tempo de
vida dos produtos. Contudo, o conhecimento sobre propriedades mecânicas dos nanossistemas
(atrito, resistência, deformação, fadiga e quebras), ou sobre como manipulá-los é ainda
pequena, o que abre um vasto campo de trabalho e pesquisa cientifica na área da
miniaturização. (JORDÃO, 2009, p. 157).
Segundo Neto (2013), A nanotecnologia deve ter seu maior impacto na indústria
médica. Pacientes beberão líquidos contendo nanorrobôs programados para atacar e
reconstruir a estrutura molecular das células do câncer e dos vírus. Há até uma especulação de
que os nanorrobôs poderiam atrasar ou reverter o processo de envelhecimento, e a expectativa
de vida poderia aumentar significativamente.
Os nanorrobôs também poderiam ser programados para realizar cirurgias delicadas,
como nanocirurgiões, eles trabalhariam num nível milhares de vezes mais preciso que o mais
afiado dos bisturis. Ao trabalhar em uma escala tão pequena, um nanorobô poderia operar sem
deixar as cicatrizes que uma cirurgia convencional deixa. Além disso, os nanorrobôs
poderiam mudar sua aparência física. Eles poderiam ser programados para realizar cirurgias
cosméticas, rearranjando seus átomos para mudar suas orelhas, seu nariz, sua cor de olho ou
qualquer outra característica física que você desejasse alterar.
21
Na realidade, a Nanotecnologia trata-se de uma Revolução para a Humanidade porque
seu desenvolvimento científico e sua manipulação tecnológica modificarão e reinventarão
materiais e processos em todas as áreas do conhecimento.
Jordão (2009) explica que estruturas poderão ser trabalhadas a níveis molecular e
atômico, podendo auto organizar-se e realinhar-se em resposta a estímulos externos. Materiais
Nano-Estruturados como o nano-aço poderão ser 100 vezes mais fortes e resistentes, enquanto
ainda mais leves que o Aço de hoje. Isso exigirá muito, muito menos energia.
Novos produtos poderão ser bem mais resistentes a altas e baixas temperaturas do que
os materiais hoje conhecidos. E diversas dessas propriedades poderão ser manipuladas e
combinadas.
2.3 NANOTECNOLOGIA A SERVIÇO DA CONSTRUÇÃO CIVIL
Para Neto (2013), a construção civil é uma atividade que ajuda a elevar o crescimento
econômico e que através da nanotecnologia, pode impulsionar ainda mais esse setor. Através
dessa nova tecnologia podem-se produzir materiais mais leves e resistentes além de reduzir
significativamente o consumo de matéria-prima e energia. Embora existam alguns materiais
fabricados com essa tecnologia, esse estudo focará nos dois produtos que estão
intensificadamente sendo estudados. Este capítulo dedica-se a esse estudo, além de enfocar os
principais produtos e benefícios que a nanotecnologia acarreta para a construção civil.
Nos últimos anos, uma enorme quantidade de estudos vem sendo feita no sentido de
concretizar as novas ideais que surgem na área de nanotecnologia. Mesmo assim, apesar dos
avanços alcançados, ainda há muito a ser feito. O impacto da nanotecnologia é bastante
penetrante em diversas áreas, inclusive na construção civil.
O desenvolvimento da ciência em nanoescala encontra-se principalmente na fase pré-
competitiva e espera-se que muitas aplicações de destaque nesse campo surjam nos próximos
anos.
Ainda segundo Neto (2013), a colaboração internacional em pesquisa fundamental, os
desafios técnicos de longo prazo, a metrologia, educação e os estudos sobre as implicações
societárias relatando os benefícios ou danos que a nanotecnologia poderá trazer à sociedade e
ao meio ambiente desempenharão um papel importante na afirmação e no seu crescimento.
Os materiais nanoestruturados apresentam grandes promessas e oportunidades para
uma nova geração de materiais com propriedades controladas e otimizadas, para diferentes
aplicações.
22
3.0 INOVAÇÕES NANOTECNOLÓGICAS NA CONSTRUÇÃO CIVIL
3.1 DEFINICÃO E ESTRUTURA DO CONCRETO CONVENCIONAL
De acordo com Almeida (2002), o concreto é um aglomerado constituído,
principalmente, de agregados e cimento como aglutinante; é, portanto, uma rocha artificial. A
fabricação do concreto é feita pela mistura dos agregados com cimento e água, a qual,
conforme a necessidade são acrescidos aditivos que influenciam nas características do
concreto.
As propriedades que interessam ao estudo do concreto armado são a resistência à
ruptura e à deformabilidade, quer sob a ação de variações das condições ambientes, quer sob a
ação de cargas externas.
[...] considera que o concreto é o material estrutural mais empregado e que a sua
estrutura heterogênea é altamente complexa. As relações entre a estrutura e as
propriedades ainda não estão completamente esclarecidas. Possuir uma boa
familiaridade de alguns elementos da estrutura é essencial para se discutir as
propriedades importantes do concreto, como a retração [...]. (MEHTA;
MONTEIRO, 1994, p. 87).
Conforme Mehta e Monteiro (1994), ao se examinar uma seção transversal de
concreto, duas fases (partículas de agregado e meio ligante) podem ser facilmente
distinguidas. Pode-se perceber que a peça é composta de uma massa contínua da pasta
endurecida e de agregados de tamanho e formas variadas. Ou seja, a nível macroscópico, o
concreto pode ser considerado um material bifásico, consistindo de partículas de agregado
dispersas em uma matriz de cimento. Somente a nível microscópico as complexidades da
estrutura do concreto aparecem.
Para Castro (2009), além das fases, há também uma terceira fase denominada zona de
transição. Ela é uma fina camada situada na região interfacial entre as partículas de agregado
graúdo e a pasta. A zona de transição é o elo mais fraco dos componentes do concreto e,
apesar de sua pouca espessura, exerce grande influência no comportamento mecânico do
concreto.
É importante destacar também que cada uma das fases do concreto é de natureza
multifásica. O agregado pode conter vários minerais, microfissuras e vazios. A matriz da
pasta de cimento e a zona de transição, na maioria das vezes, possuem diferentes tipos e
quantidades de fases sólidas, poros e microfissuras, o que as tornam heterogêneas.
23
3.1.1 Agregado
O agregado é o responsável primordial pela massa unitária e o módulo de elasticidade
e estabilidade dimensional do concreto. Estas são propriedades que dependem da resistência e
da densidade do agregado. As características físicas tais como volume, tamanho e distribuição
dos poros do agregado são mais importantes do que a composição química ou mineralógica
do concreto.
Geralmente o agregado constitui a fase mais resistente do concreto, com exceção de
agregados altamente porosos e fracos. O tamanho do agregado pode influenciar a resistência
do concreto de forma indireta.
Quanto maior o tamanho do agregado do concreto, independente de sua pureza e grau
de adensamento, e mais elevada a parcela de partículas chatas e alongadas, maiores são as
chances de ocorrer o acúmulo de água na superfície destes agregados, e assim, enfraquecem a
zona de transição pasta-agregado. A este fenômeno dá-se o nome de exsudação interna
(MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 88).
3.1.2. Pasta de Cimento
O cimento portland anidro é um pó cinza que consiste de partículas angulares de
tamanho comumente entre 1 e 50 μm. Ele e conseguido através da moagem do clínquer com
uma porção de sulfato de cálcio. O clínquer é uma mistura heterogênea de vários minerais
produzidos em reações a alta temperatura, entre óxido de cálcio e sílica, alumina e óxido de
ferro. (MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 89).
A hidratação do cimento Portland ocorre com reação entre cálcio, sulfato, aluminato e
íons hidroxila e resulta na formação de cristais de um sulfoaluminato de cálcio hidratados,
também chamados de etringita.
[...] o cimento Portland é composto principalmente de calcário, sílica,
alumina e oxido de ferro. A interação destes compostos resulta em uma serie
de produtos mais complexos e que apesar de um pequeno resíduo de cal não
ter reagido por causa do curto espaço de tempo, o equilíbrio químico e
atingido [...]. (CASTRO, 2009, p. 39).
A pasta de cimento é composta por quatro fases sólidas. São elas: O silicato de cálcio
hidratado, hidróxido de cálcio, sulfoaluminatos de cálcio e grãos de clínquer não hidratados.
O silicato de cálcio hidratado constitui de 50% a 60% e, portanto ele é fator determinante para
24
as propriedades da pasta. O C-S-H não é um composto bem definido. A relação C/S varia
entre 1,5/2,0 e o teor de água estrutural varia ainda mais. A morfologia do C-S-H varia de
fibras pouco cristalinas a um reticulado cristalino. Devido as suas dimensões coloidais e a
tendência a aglomerar, os cristais de C-S-H puderam ser observados somente com o advento
do microscópio eletrônico (MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 89).
Espaços interlamelares no C-S-H, vazios capilares e ar incorporado também estão
presentes na pasta de cimento. Estes compõem os vazios na pasta endurecida. A porosidade
total não interfere tanto na resistência e na permeabilidade do concreto.
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), a distribuição do tamanho dos poros e as
variações de volume tem papel muito mais importante nestes aspectos. Enquanto a
distribuição do tamanho dos poros é afetada pela relação a/c (agua / cimento) e pela idade
(grau) de hidratação do cimento. Os poros grandes influenciam principalmente a resistência à
compressão e à permeabilidade. Os poros pequenos influenciam mais a retração por secagem
e a fluência.
3.1.3. Água
Para Mehta e Monteiro (1994), além de vazios e sólidos, a pasta de cimento também
conta com água. Visualizados ao microscópio, os poros de água na pasta parecem vazios.
Assim como as fases sólidas e os vazios, a água pode estar presente na pasta em várias
formas. Estas formas estão divididas através do grau de dificuldade ou de facilidade com que
elas podem ser retiradas da pasta.
A água capilar, água adsorvida, água interlamelar e água quimicamente combinada são
as formas em que a água pode ser encontrada na pasta.
A água capilar pode ser entendida como o volume de água que está livre da influencia
de forcas de atração exercidas pela superfície sólida. Esta pode ser dividida em água e vazios
grandes (água livre) que não causa qualquer variação volumétrica e em água retida por tensão
capilar, retida em capilares pequenos (5nm a 50nm) os quais causariam retração se fossem
removidos do sistema (MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 90).
Ainda segundo Mehta e Monteiro (1994), a água adsorvida esta presente na pasta sob
influência de forcas de atração. Sugere-se que elas estão retidas fisicamente por pontes de
hidrogênio. A perda de água adsorvida e a principal causa da retração da pasta na secagem.
25
A água interlamelar está associada à estrutura do C-S-H. Ela só e perdida quando há
uma secagem forte (menos que 11% de umidade relativa). A estrutura do gel C-S-H apresenta
uma retração considerável quando a água interlamelar é perdida. (MEHTA; MONTEIRO,
199, p. 90).
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), a água quimicamente combinada é parte
integrante da estrutura de vários produtos hidratados do cimento. Ao contrário dos outros
tipos de água, esta só e liberada quando ocorre a decomposição por aquecimento da estrutura.
Só a secagem não é suficiente para que esta água seja perdida.
3.1.4. Zona de Transição do Concreto
Apesar de ser constituída dos mesmos elementos da pasta de cimento, as suas
propriedades e a sua estrutura são diferentes da pasta. Isso porque durante o processo de
hidratação do concreto, uma fina camada de água se acumula ao redor do agregado graúdo, o
que faz com que haja uma relação a/c maior nas proximidades do agregado. Por causa da
relação a/c elevada, cristais relativamente grandes de etringita e hidróxido de cálcio são
formados, que por sua vez, formam uma estrutura mais porosa do que na matriz da pasta.
Após isso, com o aumento da hidratação, ocorre a formação de cristais menores de etringita e
hidróxido de cálcio entre os espaços vazios, que ajudam a melhorar a resistência da zona de
transição. (MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 91).
Mesmo nos concretos com baixa relação a/c, tanto o volume quanto o tamanho de
vazios serão maiores na zona de transição do que na matriz da pasta nas primeiras idades.
Apesar disso, ela pode adquirir resistência igual ou ate mesmo maior do que a da matriz da
pasta com o passar do tempo. (MEHTA; MONTEIRO, 1994, p. 91).
Este fenômeno, segundo Mehta e Monteiro (1994), acontece por causa da formação de
novos cristais que preenchem os vazios da zona de transição através de reações químicas
lentas entre os componentes da pasta de cimento e agregados. Além disso, a redução dos
grandes cristais de hidróxido de cálcio que possuem menor adesão contribui para o aumento
da resistência na zona de transição.
3.2 NANOTECNOLOGIA E CIMENTO
Segundo Castro (2009), o cimento é o material de construção mais usado no mundo e,
consequentemente, a nanotecnologia do cimento e de seus produtos é de grande importância
26
para essa indústria. E o concreto, que possui as nanoestruturas complexas do cimento e seus
hidratos, é um excelente candidato para a manipulação e o controle de suas propriedades
através da nanotecnologia.
A ASTM define o cimento Portland como um aglomerante hidráulico produzido pela
moagem do clínquer, que consiste essencialmente de silicatos de cálcio hidráulicos,
usualmente com uma ou mais formas de sulfato de cálcio como um produto de adição,
demonstrada por Mehta (1994, p. 91), “[...] o tamanho das partículas de cimento e
normalmente menor do que 50 microns sendo que para micro-cimentos as partículas são de no
máximo 5 microns [...]”.
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 dúvidas sua marca registrada, pois 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 esta sendo usada para melhorar o seu desempenho.
Algumas pesquisas estão buscando compreender e contribuir com o estudo do
concreto em nanoescala, por exemplo, estudos sobre a nanoestrutura da pasta de cimento e
sua porosidade, a adição de nano-sílica ao cimento Portland, o comportamento das
propriedades mecânicas do cimento Portland com a adição dos nanotubos de carbono, a
resistência à abrasão com a adição de nanopartículas ao concreto, entre outros.
[...] o nanoconcreto é definido como o concreto feito com partículas de cimento
Portland que são menores de 500 nanômetros como agente de cimentação, portanto,
o tamanho das partículas de cimento tem de ser reduzido [...]. (BALAGURU, 2005,
p. 235).
A nanotecnologia poderia ajudar inclusive a diminuir as emissões de CO2 produzidas
pela indústria de cimento global, uma vez que a produção de cimento está atualmente próxima
de 1,6 bilhões de toneladas por ano, e é através da calcinação da pedra calcaria que se produz
o óxido de cálcio e dióxido de carbono numa proporção de 0,97 toneladas de CO2 para cada
tonelada de clínquer produzido. Cerca de 900 kg de clínquer são usados em cada 1000 kg de
cimento produzidos, portanto a indústria de cimento global produz cerca de 1,4 toneladas de
CO2 por ano. Isto representa aproximadamente 6% da produção total de CO2 no mundo
produzido pelo homem (SOUSA, 2008, p. 8).
A adição de nanopartículas ao concreto, por exemplo, permitirá um melhor controle da
27
sua microestrutura. A capacidade de programar a difusão progressiva dos aditivos químicos
em concretos e argamassas permitira tornar mais eficientes as operações no canteiro, e a
utilização de ligantes reforçados com fibras e armaduras de diâmetro nanométrico permitira
produzir produtos cimentícios mais resistentes, impedindo a formação e a propagação de
fissuras.
O avanço nessa área passa, primeiramente, pelo aprofundamento do conhecimento do
principal produto da hidratação dos cimentos: um silicato de cálcio hidratado, comumente
chamado de C-S-H.
3.2.1 Estrutura do C-S-H no Cimento Portland
Fonseca (2010 apud Carvalho; Gomes; Simões, 2013, p. 12) dizem que durante a
hidratação, o C-S-H recobre progressivamente os grãos de cimento anidros e preenche, aos
poucos, o espaço intergranular. Esta fase hidratada é considerada como o verdadeiro ligante
da pasta de cimento endurecida e o principal responsável por grande parte das propriedades da
pasta de cimento endurecida.
O C-S-H é um material frágil com baixa resistência à tração. É também responsável
pela instabilidade dimensional dos produtos a base de cimento. A natureza e o teor do C-S-H
controla aspectos como retração total e retração reversível devido a perda de água e também
fluência (deformação lenta, sob carga permanente). Estes aspectos são extremamente
importantes em projetos de engenharia, pois podem ocasionar o surgimento de tensões que
podem levar a fissuras e até a ruina de peças ou ao surgimento de deformações que impedem
a utilização correta da estrutura.
A família dos C-S-H é formada de uma grande variedade de silicatos de cálcio
hidratados. Alguns autores consideram que existem várias fases de C-S-H diferentes para cada
relação C/S.
O C-S-H apresenta um modo de organização estrutural multi-escala, como descrito a
seguir e indicado na Figura 1.
Em nível macroscópico, o C-S-H é formado por aglomerados. Estes aglomerados são
formados por partículas ou nanocristalitas, que podem ser assemelhadas a um empilhamento
desordenado de tijolos. Cada partícula ou nanocristalita é composta por um empilhamento de
folhas (uma dezena, nas condições mais favoráveis de síntese). Cada folha e composta por
uma dupla camada central de octaedros de CaO inserida entre duas camadas de tetraedros de
28
SiO4, similar a tobermorita. (SENNF et al, 2010 apud CARVALHO; GOMES; SIMÕES,
2013, p. 13).
A tobermorita é geralmente considerada como o modelo estrutural do C-S-H. O
modelo estr utural de folhas é constituído por uma estrutura de um plano duplo de octaedros
de cálcio ligados entre eles por suas arestas.
Abaixo temos a representação da estrutura do C-S-H em diferentes escalas de
observação:
Figura 1: Representação da estrutura C-S-H em via descendente - top-down.
Fonte: (PLASSAIS, 2003; MINET, 2003).
Do ponto de vista morfológico, o C-S-H pode ser imaginado como um sólido mal
definido, parcialmente cristalino e formado por partículas finas (diâmetro entre 100 a 200 A)
com alta área interna.
3.2.2 Últimos estudos sobre a natureza da coesão do C-S-H
De acordo com Pellenq e Van Damme (2004), estudos de simulação molecular e
medidas diretas de força por microscopia de força atômica (AFM) parecem confirmar a ideia
segundo a qual as forças superficiais de curto e médio alcance, medidas parcialmente ou
totalmente realizadas por íons cálcio hidratados, são componentes essenciais para a resistência
do cimento, com contribuições adicionais das forças de Van der Waals e forças capilares.
Segundo eles há, provavelmente, dois níveis de escala em que a origem da coesão tem
que ser buscada: 1) na sub-nanoescala que e ao nível dos empilhamentos das folhas e seus
29
pontos de contato; e 2) na mesoescala, onde se considera as interações entre as superfícies do
C-S-H dentro de poros preenchidos por água. No nível da sub-nanoescala, os cálculos
realizados pelos mesmos autores, usando os conceitos de química quântica, indicam que a
contribuição das forças de Van der Waals representa em torno de 20% da energia de coesão.
Além disso, o cálculo mostra que a distância entre os íons cálcio interfolhas e os átomos de
oxigênio da folha é muito perto da distância Ca-O dentro da folha. Isso indica que os íons
cálcio interfolhas estão ligados à folha por uma ligação iono-covalente.
Para Li et al (2004), na mesoescala a coesão de uma pasta de cimento hidratado resulta
das interações entre as superfícies de C-S-H em uma solução iônica intersticial. Por medidas
diretas de força atômica por AFM (microscópio de forca atômica), os autores mostraram que,
quando o C-S-H é imerso numa solução de cloreto ou hidróxido de sódio (cátion
monovalente), somente forças repulsivas de longo alcance foram medidas. Mas quando a
amostra é imersa numa solução de hidróxido de cálcio (cátion divalente) em equilíbrio
químico com o C-S-H, uma alta força atrativa, muito maior do que o esperado para forças de
Van der Waals, é detectada para distâncias de 2-5 nm.
Segundo eles, estes dados confirmam que forças de natureza iônica e eletrostática
contribuem na coesão do cimento. A pasta de cimento pode ser apresentada como um
multicomposto de grãos que são altamente carregados na sua superfície, e desenvolve
interações através de uma solução intersticial eletrolítica composta, na sua maior parte, de
íons cálcio e hidroxilas.
As reações químicas entre os grãos de cimento e a solução eletrolítica irão
principalmente aumentar a precipitação do C-S-H na superfície dos grãos anidros, assim, as
interações entre os grãos de cimento são progressivamente trocadas por interações entre o C-
S-H.
3.2.3 Materiais a base de cimento Portland com nanopartículas
A substituição de ate 10% em massa de cimento por nanopartículas de sílica – SiO2 ou
de trióxido de ferro – Fe2O3, em argamassas aumenta as resistências à compressão e à flexão
em mais de 20%; as nanoparticulas não agem somente como fíller, mas também como
promotoras de hidratação. (Li, 2004, p. 1240).
Qian (2002 apud Kihara; Centurione, 2005, p. 299) obtiveram resultados similares em
pastas de cimento com ate 3% de nanosílica, e com incorporação de 5% de nanoalumina em
argamassas de cimento, registraram um aumento de 143% do módulo de elasticidade, porém a
30
resistência à compressão não foi afetada. Constataram ainda que a atividade pozolânica das
cinzas volantes pode ser melhorada quando em contato com nanosílica.
Para Sobolev e Gutierrez (2005 apud Melo, 2009), os efeitos positivos das
nanopartículas na microestrutura e propriedades de materiais cimentícios podem ser
explicados pelos seguintes fatores:
- Aumento da viscosidade da fase liquida, reduzindo a segregação e aumentando a
trabalhabilidade;
- Efeito filer: as nanopartículas preenchem os vazios entre os grãos de cimento;
- As nanopartículas aceleram a hidratação do cimento e favorecem a formação de
pequenos cristais de hidróxido de cálcio e aglomerados de C-S-H;
- A nanosílica participa na reação pozolânica, consumindo o hidróxido de cálcio
produzindo um C-S-H adicional;
- As nanopartículas melhoram a microestrutura da zona interfacial de transição,
resultando numa melhor ligação entre agregados e pasta de cimento;
- A melhoria geral da microestrutura aumenta a tenacidade, resistência ao
cisalhamento, tração e flexão.
3.2.3.1 Vantagens na utilização de nanopartículas
Gleize (2007, p. 15) destaca como vantagens devido à utilização de nanopartículas, os
seguintes pontos:
- Melhoria da coesão e domínio da fluência: quase todos os avanços nas
propriedades mecânicas dos materiais cimentícios conseguidos nas ultimas décadas foram
realizados através da redução da porosidade capilar e pela otimização dos empacotamentos
granulares. No entanto, em termos de desempenho, chegou-se próximo de uma assíntota, o
que sugere que a melhoria das propriedades mecânicas só pode vir a partir de modificações
nas escalas mais finas do material.
- Evita a fissuração nas primeiras idades: a fissuração nas primeiras idades pode
ocorrer através da perda de água por secagem, ou sob condições endógenas (sem trocas de
água com o ambiente) no caso de materiais de alto desempenho com baixas relações
agua/aglomerante (< 0,3). A fissuração é altamente prejudicial à durabilidade, porque facilita
o ingresso de agentes agressivos do ambiente e diminui o desempenho potencial do elemento.
31
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
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.
- Aumento da resistência e da ductilidade ao mesmo tempo: o cimento hidratado,
composto majoritariamente por C-S-H, é um material frágil com baixa resistência à tração.
Sabe-se também que a adição de sílica ativa, que e um pó fino pulverizado decorrente do
processo de fabricação do silício metálico ou ferro silício, ao concreto torna-o mais resistente
e, consequentemente, mais durável, mas, em contrapartida, mais frágil. O reforço da estrutura
do C-S-H com fibras e armaduras de diâmetro nanométrico permitirá produzir produtos
cimentícios mais resistentes e também mais dúcteis, permitindo dispensar-se ou reduzir o uso
da armadura de aço. A incorporação de 0,5% (em relação à massa de cimento) de nanotubos
de carbono em argamassas aumentou as resistências a compressão e a flexão, assim como a
deformação na ruptura.
- Aumento da 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 desforma e carregamento dos elementos estruturais mais rápidos. Os produtos da
hidratação do cimento formados nas primeiras horas se depositam, em parte, em volta dos
grãos não hidratados, formando uma barreira de difusão que progressivamente diminui a
velocidade de reação. A ativação térmica, conseguida através do aumento da temperatura de
cura e pela conservação do calor de hidratação da reação, e usada para acelerar a velocidade
de ganho de resistência.
- Melhoria do rendimento do cimento: para contribuir com a redução das emissões
do CO2 e diminuir o consumo de materiais 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
tem um papel ativo em materiais cimentícios, tais como cinzas volantes.
32
3.3 CARBONO NANOTECNOLÓGICO
O carbono é um elemento impressionante, sobretudo, em relação às suas ligações
químicas. Quatro átomos de carbono se ligam entre si, compostos com estruturas e
propriedades inteiramente distintas podem ser gerados, como é o caso do grafite e do
diamante. Tudo depende da natureza da ligação entre dois carbonos adjacentes.
Tal elemento pode ainda formar estruturas fechadas contendo dezenas de átomos,
como é o caso dos fulerenos e nanotubos de carbono (NTC). O elemento carbono pode ainda
se ligar a outros elementos, levando à formação de uma infinidade de compostos. Este
comportamento se deve às diferentes hibridizações que o carbono pode assumir (FERREIRA,
2005, p. 71).
Kroto et al (1985 apud Ferreira, 2005) sintetizaram os fulerenos. A arquitetura do
carbono sp2 e efeitos topológicos fornecem as condições necessárias para que as camadas
finas do grafite sejam fechadas. Desta maneira, o caráter nominal da hibridização do átomo de
carbono nos fulerenos seria sp.
A síntese da estrutura molecular de carbono na forma de fulereno incentivou uma
grande investida na busca de outras estruturas fechadas de carbono, de maneira que Mijima
(1991 apud Ferreira, 2005), apresentou um novo tipo de estrutura finita de carbono, a qual
chamou de nanotubos de carbono, devido sua morfologia tubular com dimensões
manométricas.
Os NTC são nanoestruturas cilíndricas com diâmetros da ordem de poucos nanômetros
e comprimentos da ordem de micróns, levando a grandes razões comprimento/diâmetro.
Os NTC apresentam propriedades especiais devido à combinação de sua
dimensionalidade, estrutura e topologia. A constituição básica do retículo do nanotubo são as
ligações covalentes C-C, como nas camadas do grafite.
Devido as suas características únicas, os NTC provocaram uma grande euforia nos
pesquisadores que trabalham na área de química, física e engenharia de materiais.
3.3.1 Grafeno
A palavra grafeno vem de grafita – ou grafite – o miolo do lápis. Um tipo de carbono
puro formado por camadas de átomos empilhadas. A estrutura enfileirada da grafita foi
desvendada há séculos e por isso é natural que os físicos e especialistas em ciências dos
materiais venham tentando desde então isolá-lo para estudar as propriedades das camadas que
33
o formam. Grafeno é a denominação dada a uma dessas camadas. Ele é inteiramente formado
por átomos de carbono ligados em uma rede de sucessivos hexágonos que formam um único
plano, com apenas um átomo de espessura (SCIENTIFIC AMERICAN, 2008).
A força motriz para a formação de nanoestruturas fechadas de carbono tem sido
atribuída a instabilidade do grafite em dimensões de poucos nanômetros provocada pela
alta energia das ligações em átomos periféricos. Desta maneira, a eliminação de tais ligações
seria alcançada com o cancelamento da estrutura (FERREIRA, 2005, p. 94).
Assim, os nanotubos de carbono seriam formados a partir de uma camada de grafite
(grafeno) que se enrola, produzindo cilindros perfeitos, como será visto mais adiante.
3.3.2 Nanotubos de Carbono (NTC)
O homem utiliza fibras das mais diversas naturezas desde a antiguitade. Os egípcios,
por exemplo, além do linho com que faziam suas roupas, utilizavam junco na construção de
barcos e o papiro para formar folhas de escrita.
Para entender o que é um nanotubo de carbono, imagine uma folha de papel
enrolada encostando uma das extremidades da folha na outra, sem sobrepor o material. Esse
enrolamento, no caso dos NTC, é feito quimicamente em folhas atômicas de grafite -
praticamente o mesmo encontrado nos lápis.
Com a folha de grafite separada do resto do material, através de reações químicas
complexas, envolvendo calor, eletricidade e metais como o ferro, o níquel ou o cobalto, os
cientistas forçam o carbono a criar um túnel, semelhante àquele criado ao enrolar a folha de
papel, ver figura 2 abaixo.
Figura 2: Representação esquemática de uma camada de grafite (grafeno) que origina um
nanotubo de carbono.
Fonte: (FERREIRA, 2005).
34
O entusiasmo com as possibilidades abertas pelas propriedades dos nanotubos para o
desenvolvimento de novos materiais atrai a atenção de homens de negócios, e também os
cientistas da área.
Até agora os NTC apresentam dois desafios aos cientistas. O primeiro deles é a
dificuldade em se obter fibras longas, pois até o presente momento não se conseguiu produzir,
de maneira confiável, nanotubos de carbono com mais do que poucos milímetros de
comprimento. Além desse, o segundo desafio consiste na necessidade de se descobrir como
produzir esse material em larga escala, para uso industrial e a um custo acessível.
Os nanotubos de carbono são 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo e
invisíveis até para microscópios óticos, conforme mostra a figura 3 abaixo:
Figura 3: Nanotubo de carbono, em escala, em relação a um fio de cabelo.
Fonte: (SCIENTIFIC AMERICAN, 2008).
No Brasil, há uma comunidade de pesquisadores estudando nanotubos de carbono,
concentrados em universidades públicas como: UFMG, UFPR, UFRJ, Unicamp, e USP, entre
outras.
3.4 UTILIZAÇÃO E PRODUÇÃO DOS NTC
3.4.1 Utilização dos NTC
Muitas pessoas, ao ouvirem falar pela primeira vez em nanotubos de carbono,
perguntam-se: e para que serve? Uma resposta rápida e direta seria: para quase tudo.
FIO DE CABELO
NANOTUBO DE CARBONO
35
Dependendo da maneira com que são produzidos, os NTC apresentam características físicas e
químicas diferentes.
Como podem apresentar diversas configurações moleculares, cada uma dessas
estruturas se comporta de modos até mesmo opostos às moléculas de mesma composição. Por
exemplo, dependendo da maneira com que os átomos de carbono estão dispostos na estrutura,
o NTC pode ser condutor ou semicondutor.
Segundo Capaz e Chacham (2003), um nanotubo condutor é até 100 vezes mais
eficiente na transmissão de eletricidade do que os fios de cobre utilizados atualmente. Já um
nanotubo semicondutor, por suas dimensões reduzidas, pode ser utilizado para incluir, em
objetos de dimensões mínimas, circuitos eletrônicos refinados.
Uma das possíveis aplicações dos NTC é a construção de nanoprocessadores capazes
de substituir os chips produzidos atualmente, feitos com silício. Isso é importante por diversos
motivos, entre eles a diminuição da necessidade de mineração, já que o grafite pode ser
produzido em laboratório a partir de outros materiais, e também por diminuir o tamanho de
equipamentos eletrônicos e computacionais a dimensões microscópicas. (BALAGURU, 2005,
p. 238).
Conforme Albino (2007), outras aplicações dos nanotubos de carbono estão voltadas à
conservação e transmissão eficiente de energia. No Massachussets Institute of Technology
(MIT), pesquisadores conseguiram transformar grupamentos de nanotubos de carbono e
fulerenos, uma molécula de carbono com estrutura semelhante a de uma bola de futebol, em
células solares, capazes de capturar e transmitir a energia solar de maneira mais eficaz que as
células fotovoltaicas atualmente em uso.
Ainda no âmbito de energia elétrica, os NTC podem ser alinhados sobre uma folha de
celulose, principal componente do papel. Nessa configuração, cada nanotubo age como um
eletrodo, capaz de conter e transmitir energia. Assim, essa folha de papel se transforma num
tipo de bateria. (MAKAR et al, 2005 apud ALBINO, 2007, p. 5)
Além de poder fornecer energia de forma contínua e regular, como uma pilha comum,
a bateria de papel também se comporta como um supercapacitor, semelhante aos componentes
responsáveis pelos flashes das maquinas fotográficas, capaz de distribuir um pulso enorme de
energia em questão de milissegundos.
Saindo da eletrônica, nanotubos de carbono poderão ser usados, quando sintetizados
em comprimentos maiores do que os atingidos atualmente, na indústria têxtil, substituindo
outras fibras na composição de tecidos de alta resistência.
36
Alguns cientistas, testando as propriedades físicas do material, concluíram que uma
roupa tecida de NTC seria uma armadura corporal mais eficiente do que okevlar - material
utilizado na fabricação de coletes a prova de balas.
Ainda contando com a extraordinária resistência à tensão dos nanotubos, estes poderão
ser utilizados na construção civil, substituindo cabos de aço ou inseridos na composição do
concreto, uma vez que pesquisas recentes indicam que a resistência a quebra de um NTC é
quase duzentas vezes maior do que a de um cabo de aço e quase cem vezes maior do que um
bloco de concreto convencional.
3.4.2 Produção dos NTC
Hoje, quem consome nanotubos são os laboratórios acadêmicos ou industriais
interessados em nanociência e nanotecnologia. Os pesquisadores brasileiros optaram por
produzir eles próprios as amostras de nanotubos que utilizam em seus experimentos. Em
parte, porque é mais barato sintetizá-los do que comprá-los prontos.
Segundo Balaguru (2005), o preço comercial dos nanotubos é extremamente elevado.
Há várias empresas que fabricam nanotubos para vender, entre elas a belga “Nanocyl” e a
norte americana “Carbon Nanotechnologies Inc”. Ambas vendem o grama de nanotubos de
parede única sem impurezas por US$ 500,00. Outro motivo para a fabricação caseira é o
interesse em aprimorar a técnica, pois o processo de síntese ainda esta em plena atividade de
pesquisa.
De acordo com Ferreira (2005), os métodos de preparação mais utilizados na obtenção
de NTC são: descarga por arco, ablação por laser e deposição química de vapor (CVD).
Métodos de descarga por arco e ablação por laser são baseados na condensação de átomos de
carbono gerados pela evaporação (sublimação) de carbono a partir de um precursor sólido,
geralmente, grafite de alta pureza. A temperatura de evaporação envolvida em tais processos
aproxima-se da temperatura de fusão do grafite, de 3000 a 4000 °C.
Na UFMG, o professor Luiz Orlando Ladeira está estudando técnicas de fabricação
em larga escala, embora ressalte que sua maior preocupação é com a qualidade e não com a
quantidade. Atualmente seu laboratório é capaz de sintetizar cerca de 100 mg de nanotubos
puros em meio dia através do processo CVD (Chemical Vapour Deposition - Deposição
Química de Vapor).
As universidades brasileiras que fabricam o nanotubo empregam e dominam o
método. A fabricação por deposição química é mais controlada e gera poucos carbonos
37
amorfos (desorganizados). Mesmo assim, há uma etapa de purificação necessária para
eliminar os resíduos dos catalisadores usados. Mudanças em determinados parâmetros, como
a pressão, determinam a produção de um ou de outro.
Segundo Ferreira (2005), gases como o metano e o etileno (compostos por átomos de
hidrogênio e de carbono) são a matéria-prima do processo por deposição química. O gás é
introduzido em um forno junto com o catalisador metálico (ferro, níquel ou cobalto). Ambos
são aquecidos até aproximadamente 900°C, para que se decomponham. Os átomos de carbono
provenientes do gás grudam nas nanopartículas do metal dissolvido. Os nanotubos crescem
então a partir destas partículas, e o diâmetro deles depende do tamanho delas.
Vejamos a seguir o esquema de um reator CVD:
Figura 4: Representação esquemática de um reator CVD, com forno de duas zonas e um
precursor líquido.
Fonte: (FERREIRA, 2005).
Separar os nanotubos depois de produzidos é um dos maiores problemas, pois os
nanotubos de carbono geralmente passam por uma espécie de controle de qualidade, a
caracterização. O espalhamento Raman é uma técnica que dá várias informações sobre a
qualidade da amostra.
38
3.5 NTC NA COMPOSIÇÃO DO CONCRETO
3.5.1 Matriz Cimentícea Reforçada com NTC
O estudo dos NTC como reforço em matriz de cimento é bastante recente e existem
poucas publicações sobre o assunto. Estes reforços foram citados pela primeira vez em 2003
por Makar e Beaudoin, porém com sérias restrições quanto à porcentagem de NTC
incorporada. Em 2005, Li et al, fizeram análises do comportamento mecânico e da
microestrutura em pasta de cimento com NTC incorporado. (CARVALHO; GOMES;
SIMÕES, 2013, p. 20).
Segundo Li et al (2005 apud Carvalho; Gomes; Simões, 2013), os NTC formam
pontes através dos poros do cimento e nas fissuras causando uma redistribuição de
carregamentos na matriz, conforme pode ser visto na figura 4 a seguir:
Figura 5: MEV indicando os NTC (setas em vermelho) no composto com matriz de
Cimento.
Fonte: (BATISTON, 2007 apud CARVALHO; GOMES; SIMÕES, 2013).
Carvalho, Gomes e Simões (2013, p. 20) afirmam que em 2006, Wansom et al,
publicaram um experimento sobre a medição da resistência elétrica da pasta de cimento com
incorporação de NTC, e que Li et al (2005), obtiveram, em argamassa de cimento e areia com
relação água/cimento igual a 0,45, um incremento de 19% na resistência à compressão com a
incorporação de NTC. Na resistência à flexão obteve-se um acréscimo de mais de 25%, e 22%
com incorporação de 0,5% em relação à massa de cimento de NTC e fibras de carbono
respectivamente.
39
A fibra de carbono também atua formando pontes através dos poros do cimento,
porém, devido à menor área de contato entre a fibra e a matriz de cimento, tem força menor
que a ligação entre os NTC e a matriz.
Para Carvalho, Gomes e Simões (2013), a incorporação de 0,02% de NTC em pasta de
cimento apresenta uma tendência de redução da retração autógena. Esta redução estaria ligada
ao enrijecimento da estrutura já que em seus experimentos este efeito se tornou mais
acentuado com o tempo.
As carboxilas ligam-se ao cálcio tanto do CH quanto do C-S-H formando uma ligação
covalente, o que gera uma grande força de ancoragem entre as estruturas e permite a
redistribuição de esforços entre os NTC e os hidratos, conforme figura 6 abaixo:
Figura 6: Reação entre os NTC e o CH e C-S-H do cimento hidratado.
Fonte: (GLEIZE, 2007).
A ancoragem dos NTC nas estruturas de C-S-H e o CH do cimento hidratado se dá
pelas estruturas carboxílicas resultantes do tratamento para dispersão. A incorporação de 0,5%
em massa de cimento de NTC modificou a porosidade da argamassa de cimento aos 28 dias
segundo ficando em 10,8%, em torno de 64% abaixo da porosidade da pasta referencia para a
faixa de 2nm a 5nm. Além disso, para poros com diâmetro menor que 50nm a redução chegou
a 84%, sugerindo que os NTC atuem como fíler na mistura. (CASTRO, 2009, p. 33).
40
4.0 DESENVOLVIMENTOS ATUAIS E EXPECTATIVAS FUTURAS
4.1 NANOTECNOLOGIA ATUALMENTE
Segundo Miguel (2009), a humanidade sempre se importou com o tamanho das coisas,
até para compatibilizá-las com a nossa capacidade de transportar. Não existe melhor exemplo
para isso do que o computador. Na terminologia nanotecnológica isso seria chamado de uma
redução “top-down”, ou seja, de cima para baixo. Começa-se com um material de grande
tamanho e consegue-se progressivamente reduzir o tamanho de seus componentes. Um
exemplo clássico são os chips dos computadores.
Hoje, quando se fala em nanotecnologia fala-se, na realidade, de algo mais ousado que
é o chamado bottom-up, ou seja, de baixo para cima. Não se trata mais de reduzir o tamanho
de algum objeto já existente para torná-lo menor, mas sim construir os objetos a partir do
manuseio dos átomos, individualmente. Essa nova visão começou com Richard Feynman,
professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em 1959, quando ele mostrou, em palestra,
as potencialidades da miniaturização. A palestra de Feynman ficou esquecida até 1986 quando
Eric Drexler publicou o livro Engines of Creation popularizando o que se conhece hoje como
nanotecnologia. Em 1989, Don Eigler, pesquisador do laboratório da IBM, mostrou
concretamente que a teoria do bottom-up era algo concreto. (MIGUEL, 2009).
4.2 DESAFIOS DA NANOTENOLOGIA DO CARBONO NO BRASIL
De acordo com Miguel (2009), a tecnologia do carbono, exceto a dos nanomateriais, já
está bastante consolidada no mundo. É claro que, ainda assim, busca-se sempre melhorar o
que já se conhece, reduzir o custo de fabricação e obter materiais inovadores. Foi assim na
década de 60 com a fibra de carbono.
Quando se fala de Brasil, os maiores desafios são a quase completa ignorância sobre o
assunto, o desconhecimento quase completo de sua potencialidade, a carência de especialistas
e pesquisadores no setor e a convicção das empresas de que vão conseguir exportar e vender
seus produtos interna e externamente ignorando a existência desses materiais. (RENDEIRO,
2013).
Quanto aos nanomateriais de carbono, por ser algo extremamente recente, existem
grandes desafios tecnológicos a serem vencidos. Um deles diz respeito ao controle da sua
produção para obter exatamente o material desejado e não uma mistura. Os nanotubos, por
41
exemplo, podem ter comportamento metálico ou de semicondutor, portanto e necessário
identificar como se pode controlar a fabricação para se ter um ou outro. Muitos outros
desafios tecnológicos estão e estarão presentes, por muito tempo, mas o custo de fabricação é
sempre a chave para a popularização de tudo que se inova. (MIGUEL, 2009).
4.3 CONSTRUÇÕES DO FUTURO
Era uma casa muito engraçada, pensarão nossos descendentes ao ouvir as histórias
sobre onde morávamos na virada do século XXI. As paredes eram feitas de blocos de
concreto e a tinta que cobria as paredes tinha função meramente decorativa. Mudar um móvel
de lugar era uma aflição. A mesa da cozinha vivia coberta por uma toalha, para esconder as
horríveis marcas de facadas e outros descuidos que estragavam esse e praticamente todos os
móveis para sempre. (CURY, 2002).
Naquele tempo – dirão nossos netos, havia gente que arriscava a vida só para limpar as
janelas. Sofás e poltronas viviam a mercê de gatos e cachorros (para alegria dos reformadores
de móveis). Toda a panaria da casa – toalhas e roupas – e sua relação de amor e ódio com a
máquina de lavar daquela época. (CURY, 2002).
Os tecidos delicados viravam um trapo depois de apenas algumas lavagens.
Futuramente, tudo isso não passará de uma remota lembrança. Graças aos computadores e à
nanotecnologia, a indústria de materiais viverá uma revolução. (CURY, 2002).
Segundo Cury (2002), num futuro não muito distante, estaremos vivendo em prédios
indestrutíveis, com janelas que se mantem limpas sozinhas e superfícies cicatrizantes. Tecidos
serão feitos de fibras super-resistentes e paredes vão facilitar a passagem de ondas de celular –
ou bloqueá-las, caso você queira um lar livre das comunicações sem fio. Tudo isso e muito
mais devido à nanotecnologia.
4.3.1 Dobrando o Nanoconcreto
As construções do futuro não serão inovadoras apenas nos acabamentos. As estruturas
também prometem mudanças impressionantes. O concreto estará presente, sem dúvida. Mas
será infinitamente mais resistente e, se precisar, maleável. A empresa francesa Lafarge
desenvolveu o Ductal, um tipo de concreto que pode ser dobrado sem quebrar (ver figura 7).
A novidade já foi utilizada para sustentar uma passarela na cidade de Quebec, Canadá.
(CURY, 2002).
42
Figura 7: Peça de Ductal desenvolvida pela empresa francesa Lafarge.
Fonte: (SCIENTIFIC AMERICAN, 2008).
Para Cury (2002), além de flexível, o concreto apresentará uma super resistência.
Hoje, o padrão é usar concreto que aguenta cerca de 250 quilos por metro quadrado. Mas já
existem testes bem sucedidos com misturas que suportam ate 4000 quilos por metro quadrado,
Segundo Luiz Hamassaki, responsável pelo laboratório de concreto do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas de Minas Gerais (IPT-MG). Portanto, isso significa estruturas mais delgadas,
obras mais econômica e mais rápida.
4.3.2 Nano-Revestindo o Concreto
Os revestimentos incorporando certas nanopartículas ou nanocamadas têm sido
desenvolvidos para determinada finalidade. É uma das principais aplicações da
nanotecnologia na construção. Por exemplo, o Dióxido de Titâneo (TiO2) é utilizado para
vidraças de revestimento devido à sua esterilização e propriedades anti-incrustantes. O TiO2
vai quebrar e desintegrar sujeira orgânica através poderosa reação catalítica. Além disso, é
hidrófilo, o que permite que a água se espalhe uniformemente sobre a superfície e lave a
sujeira anteriormente quebrada. Outros revestimentos especiais também foram desenvolvidos,
tais como anti-grafite, controle térmico, economia de energia e anti-reflexo. (RENDEIRO,
2013).
A figura 8 a seguir ilustra como se comporta uma estrutura nanorevestida:
43
Figura 8: Efeito de limpeza através de uma superfície nano-revestida.
Fonte: (APPLICATION OF NANOTECHNOLOGY IN CIVIL ENGINEERING, 2013).
4.3.3 Nano-Monitorando o Concreto
Os sensores têm sido desenvolvidos e utilizados em construção para monitorar e/ou
controlar a condição ambiente e o desempenho de materiais/estrutura. Uma vantagem destes
sensores é a sua dimensão (10 -9
m - 10-5
m). Estes sensores podem ser incorporados na
estrutura durante o processo de construção. Agregado inteligente, um dispositivo multi-
funcional baseado em piezo-cerâmico de baixo custo, tem sido aplicado para controlar as
propriedades do concreto de pouca idade, tais como umidade, temperatura, umidade relativa e
o desenvolvimento precoce da resistência. Os sensores também podem ser utilizados para
monitorar a corrosão e rompimento do concreto. A figura 9 a seguir mostra a estrutura de uma
igreja romana, a Jubilee Church, dotada de nano-sensores de monitoramento e revestida com
nanomateriais responsáveis pelo seu constante brilho. (RENDEIRO, 2013).
44
Figura 9: Jubilee Church em Roma, nano-monitorada, mantendo sua cor branca brilhante por
causa do dióxido de titânio nanoestruturado.
Fonte: (APPLICATION OF NANOTECHNOLOGY IN CIVIL ENGINEERING, 2013).
Segundo Rendeiro (2013), o agregado inteligente também pode ser usado para
monitoramento da saúde da estrutura. O sistema de divulgação pode monitorar as tensões
internas, rachaduras e outras forças físicas nas estruturas ao longo da vida das estruturas. Ele é
capaz de fornecer uma indicação precoce da saúde da estrutura antes que uma falha possa
ocorrer.
45
5.0 CONCLUSÃO
O desenvolvimento de materiais e componentes pela aplicação dos conceitos da
nanociência/nanotecnologia deve beneficiar vários setores da economia tais como saúde,
energia, meio ambiente, eletrônica, química, cosmética, têxteis, transporte assim como a
indústria da construção. Porém, mesmo já existindo alguns produtos comerciais, a
nanotecnologia aplicada à construção está ainda num estágio embrionário.
A nanotecnologia tem aberto oportunidades para o desenvolvimento de novos
produtos com propriedades, funcionalidades e características distintas e muitas vezes
superiores aos materiais usuais. Estas características podem ser utilizadas no desenvolvimento
de materiais altamente utilizados na construção civil. Porém, a síntese, estocagem, manuseio,
estabilização, incorporação desses materiais traz também desafios e a necessidade de uma
análise profunda dos processos, adequações de procedimentos operacionais e das instalações
industriais em decorrência de novos riscos envolvidos quando da utilização destes materiais
nanoparticulados.
Através das grandes inovações tecnológicas na construção civil, levando em conta a
nanotecnologia tanto é uma realidade que já é possível encontrar alguns produtos
nanotecnológicos no mercado de consumo, sem que ao menos os consumidores tenham
conhecimento de tal fato. A nanotecnologia trará mudanças não só no setor econômico, pois a
sociedade como um todo, e o mundo do trabalho de forma especial, serão atingidos pelos seus
impactos.
O avanço do conhecimento possibilitou, nas últimas décadas, uma grande sofisticação
da ciência de materiais hoje empregada para aperfeiçoar e desenvolver materiais otimizados
para cumprir as funções desejadas com enorme eficiência.
O concreto é um material heterogêneo e está sujeito a uma série de variabilidades.
Tanto a sua estrutura como sua interação com o meio são complexas e não são facilmente
entendidas. As condições de aplicação, o uso de compostos mineralógicos e de aditivos são
exemplos de fatores que afetem as propriedades do concreto e o seu comportamento.
O entendimento em nanoescala do comportamento da matriz de cimento e a sua
interação com os outros componentes aplicados no ambiente construído, podem fornecer uma
abordagem poderosa para desenvolver concretos superiores, com melhores propriedades e
controle mais eficaz do processo de degradação.
Devido às suas propriedades mecânicas, os nanotubos de carbono têm sido usados em
várias investigações com produtos cimentícios, objetivando comprovar a sua eficiência no
46
reforço das estruturas onde são incorporados. No entanto, a literatura enfatiza que ainda existe
pouca pesquisa sobre nanotubos de carbono usados em conjunto com cimento Portland. Por
tal razão é que foi desenvolvido esse estudo, procurando aprofundar o conhecimento do
comportamento dos nanotubos de carbono quando aplicados compostos cimentícios.
O desenvolvimento futuro dos materiais de construção será certamente resultado da
aplicação intensiva destes conhecimentos da ciência de materiais e seus conceitos. Esta
tendência já começa a ser observada no mercado, inclusive o brasileiro: os aditivos “super
plastificantes” para concreto que tem propiciado o grande aumento da resistência, são
moléculas orgânicas projetadas e sistematicamente aperfeiçoadas.
Os nanotubos de carbono vêm sendo apontados como um dos materiais mais
importantes sintetizados nos últimos anos. Tal consideração se deve às suas propriedades
eletrônicas e mecânicas, advindas da soma da natureza química (constituídos de átomos de
carbono) e da natureza estrutural (relação entre seu diâmetro e comprimento), levando tais
nanoestruturas a apresentarem características únicas.
Porém, para aplicá-los na construção civil, no concreto, por exemplo, devem existir
métodos de preparações capazes de produzir grandes quantidades de material de forma eficaz,
de qualidade estrutural e com baixo custo. Muitos pesquisadores estão trabalhando no
desenvolvimento de métodos de preparação que possam oferecer nanotubos com tais pré-
requisitos.
Mesmo com as desvantagens apresentadas para os métodos de produção, o método
CVD, e que parece ser mais adequado para a produção de nanotubos do que os métodos de
ablação por laser e descarga por arco. Porém vale ressaltar que o destino final do nanotubo
será importante para decidir seu método de síntese.
No Brasil, os investimentos em nanotecnologia ainda não demonstram que o setor é
considerado estratégico no país. O que falta é a integração de todo o governo, por meio de
ministérios, para se articular a indústrias, centros de pesquisa e universidades capazes de se
dedicarem ao desenvolvimento de projetos que venham a criar soluções de impacto
tecnológico para o país.
Tem sido evidenciado o enorme potencial para aplicações de nanotecnologia na
construção civil. Até pequenas melhorias nos materiais e processos poderiam trazer grandes
benefícios ao setor. No curto e médio prazo, o maior impacto para a indústria da construção é
a economia resultante de melhoria no desempenho dos materiais. No médio e longo prazo, o
desenvolvimento da nanotecnologia levará a abordagens verdadeiramente revolucionárias
47
para os projetos e produção de sistemas com maior eficiência energética, sustentabilidade e
adaptabilidade às mudanças ambientais.
Havendo poucas preocupações sobre o impacto dessa tecnologia, uma das
preocupações que se torna mais acentuada, à medida que há a introdução da nanotecnologia
no mundo do trabalho, gera dúvidas sobre uma futura revolução tecnológica, embora já seja
uma realidade e pelo que se nota, sem volta. Porém, pouco se discute sobre seus aspectos não-
técnicos, ou seja, possíveis impactos sociais, culturais, econômicos, ambientais e para a saúde
e segurança de pesquisadores, consumidores e, principalmente, para os trabalhadores, um dos
primeiros a ter contato com os nanomateriais sintetizados, manuseados e incorporados em
novos produtos e processos produtivos.
Há vários debates apontados neste trabalho que mostram que a área de preparação e
caracterização da nanotecnologia relacionada à construção civil pode crescer ainda mais, haja
vista que muitas questões ainda necessitam de respostas, principalmente, com relação aos
mecanismos de crescimento dos nanomateriais e das nanopartículas. A otimização dessas
condições ainda é uma questão altamente significativa de pesquisa que através de seu
desenvolvimento poderá trazer resultados e benefícios ainda mais satisfatórios, sendo poucas
as preocupações.
As discussões colocadas neste trabalho mostram que a área da nanotecnologia, na
preparação, caracterização e utilização de nanotubos pode, e irá, crescer muito mais. Ao
inserir nanotubos de carbono em fábricas e indústrias, a da construção civil, por exemplo,
fatores ambientais, sociais e econômicos devem ser precisamente estudados, pois não há
dúvidas de que serão extremamente alterados.
No entanto, essas alterações não precisam ser evitadas, precisam apenas ser analisadas,
com o intuito, é claro, de provocar uma considerável evolução não só tecnológica, mas
principalmente humanitária.
48
6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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