Aplicação da nanossílica em meios cimentícios

Nas últimas décadas, nota-se um interesse cada vez maior na utilização de adições minerais incorporadas ao material cimentício, pois além de economizar energia e preservar recursos naturais, proporcionam vantagens técnicas ao produto final. As vantagens da utilização de adições minerais podem ser atribuídas ao aumento de propriedades tecnológicas, à redução do consumo de clínquer, à diminuição no impacto ambiental através de menor desperdício, além da redução da emissão de CO2 dos fornos de cimento (NEVILLE, 1997; MEHTA e

MONTEIRO, 2008).

Algumas adições minerais passaram a ser utilizadas com o objetivo de se obter concretos de alto desempenho. Esta aplicação, além do bom resultado relacionado à durabilidade, também proporcionou às estruturas elevados valores de resistência. O excelente resultado na atividade pozolânica de alguns desses materiais fez com que fossem denominadas adições minerais altamente reativas. Atualmente, como principais pozolanas altamente reativas em uso no concreto ou em materiais cimentícios, têm-se a sílica ativa, o metacaulim e a cinza da casca de arroz com queima controlada (ANDRADE, 2015).

Quando se adiciona partículas de micro ou nanossílica aos materiais cimentícios, em adição ou substituição parcial do cimento, ocorre uma alteração das propriedades físicas e químicas do material, devido à sua participação no processo global da hidratação e desenvolvimento da microestrutura. Essa característica é responsável pela alteração das propriedades do material no estado fresco e endurecido quando comparado aos materiais produzidos apenas com cimento comum (SENFF, 2009a).

A Sílica (SiO2) está presente em concretos convencionais através da composição do

cimento. No entanto, um dos avanços proporcionados pelo estudo do concreto em nano escala é que o empacotamento das partículas pode ser melhorado com o uso de nanossílica, o que leva a uma maior compactação da sua estrutura, resultando em melhores propriedades mecânicas. A adição de nanossílica também pode controlar a degradação do C-S-H causada pela lixiviação de cálcio, bem como a penetração da água e, portanto, contribuir para a melhoria na durabilidade (MORAIS, 2012).

Para Gleize, (2007), a incorporação de nano partículas representa um papel muito importante, à medida que permite um melhor controle da microestrutura, produzindo materiais mais resistentes e duráveis, podendo melhorar a coesão, minimizar a fluência, evitar fissuração nas primeiras idades, aumentar a ductilidade e sua resistência.

Segundo Senff et al. (2009b), as nano partículas possuem uma grande área de superfície e elevada reatividade, quando comparadas com partículas com a mesma composição química e de tamanho maior. Esta característica, quando se fala em aplicação em misturas cimentícias, é responsável pela alteração de propriedades no estado fresco e endurecido, em comparação com as adições convencionais. Os grãos nanométricos participam de forma mais efetiva das reações pozolânicas, características da hidratação, resultando em novos materiais com desempenho superior. Assim, a adição de NS em substituição parcial do cimento tem adquirido atenção crescente nos últimos anos.

A Figura 2-13 mostra um diagrama com a relação entre o tamanho e a área superficial de partículas de materiais utilizados em concretos e argamassas. Quanto menor o tamanho da partícula, maior a área superficial do material, de forma não necessariamente linear, conduzindo ao material que os autores chamaram de concreto de nanoengenharia. (SOBOLEV e SANCHEZ, 2010).

Figura 2-13: Relação entre o tamanho da partícula e a área superficial (SOBOLEV e SANCHEZ, 2010).

De acordo com Aïtcin (1998), a adição de nanossílica atua de duas formas distintas: uma química e uma física. A ação física corresponde à atuação do material como fíler, ou seja, as partículas situam-se nos espaços entre os grãos maiores, provocando uma distribuição uniforme dos produtos de hidratação e contribuindo para uma estrutura mais densa, menos permeável e mais resistente. A ação química ocorre devido à sua alta reatividade, promovendo reações pozolânicas. A NS reage rapidamente com o Ca(OH)2 formado durante a hidratação do

cimento, resultando em mais C-S-H, composto resistente que tende a preencher os vazios capilares.

Segundo Sobolev e Sanchez (2010), a ação benéfica das nano partículas na microestrutura e no desempenho de materiais à cimentícios pode ser explicada pelos seguintes fatores: • Quando bem dispersas, aumentam a viscosidade da fase líquida, ajudando na suspensão

dos grãos de cimento e dos agregados, e melhorando assim a resistência à segregação; • Preenchem os espaços vazios que existem entre os grãos, tornando a mistura mais

densa (efeito fíler);

• A nanossílica age como centros de cristalização durante a hidratação do cimento, acelerando-a;

• Favorecem a formação de pequenos grupos uniformes de silicato de cálcio hidratado; • Melhoram a zona de transição, fortalecendo a ligação entre agregado e pasta.

O concreto deve ser entendido como um material de macro estrutura, fortemente influenciado pelas suas nano propriedades. Compreendê-lo neste nível levará a novos caminhos para a melhoria da qualidade, em termos de resistência e durabilidade. Pode-se dizer que o concreto e um material de múltiplas escalas de observação (MORAIS, 2012). As propriedades do concreto em seu estado inicial, como fluidez e trabalhabilidade, são regidas pela distribuição e tamanho das partículas, enquanto que as propriedades do concreto no estado endurecido, como resistência e durabilidade, são afetadas tanto pela granulação das partículas como pela porosidade (QUERCIA e BROUWERS, 2010).

A Figura 2-14 mostra micrografias de pastas de cimento de diferentes conteúdos de NS com 14 dias de idade. Verifica-se uma estrutura mais densa nas pastas contendo NS.

Figura 2-14: Micrografia de pastas de cimento com 14 dias de idade. (a) Estrutura da amostra de referência; (b) amostra com 0,5% NS; (c) amostra com 1% NS; (d) amostra

com 5% NS (STEFANIDOU e PAPAYIANNI, 2012).

A atuação da NS na hidratação se dá por meio das seguintes etapas: silicatos de cálcio são criados durante a hidratação do cimento, quando a NS e o CH são dissolvidos, tornando-se disponíveis para reagir; as partículas de nanossílica atraem as partículas de CH dissolvidas, originando mais C-S-H; os novos géis de C-S-H aumentam a densidade da pasta de cimento, reforçando a estrutura entre os grãos de cimento. Uma imagem ilustrativa da partícula de NS e seu mecanismo de ação são mostrados na Figura 2-15 (AKZONOBEL, 2013).

Figura 2-15: (a) Representação esquemática de uma partícula de nanossílica; (b) mecanismo de atuação da NS na hidratação do cimento (AKZONOBEL, 2013).