Novos materiais de construção para Construção Civil. Geciane Silva Gonçalves

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Novos materiais de construção

para Construção Civil

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O QUE É NANOTECNOLOGIA?

"Os princípios da física, pelo que eu posso perceber, não falam contra a possibilidade de manipular as coisas átomo por átomo. Não seria uma violação da lei ; é algo que, teoricamente, pode ser feito mas que, na prática, nunca foi levado a cabo porque somos grandes demais"

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Nanotecnologia: Definição

Podemos definir nanotecnologia como

sendo o termo utilizado para descrever

a criação, manipulação e exploração de

materiais com escala nanométrica.

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Nanotecnologia: Definição

Um nanômetro (nm) é um bilionésimo de

um metro, menor que o comprimento de

onda da luz visível e um centésimo de

milésimo da largura de um fio de cabelo

humano.

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A Nanotecnologia a serviço da

Construção Civil

• Através da nanotecnologia pode-se produzir materiais mais leves e resistentes além de reduzir significativamente o consumo de matéria-prima e energia.

• Os materiais nanoestruturados apresentam grandes promessas e oportunidades para uma nova geração de materiais com propriedades

controladas e otimizadas, para diferentes

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A Nanotecnologia a serviço da

Construção Civil

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A Nanotecnologia a serviço da

Construção Civil

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A Nanotecnologia a serviço da

Construção Civil

Nos últimos 5 anos foram geradas algumas categorias de materiais de construção desenvolvido com base nanotecnológica, a saber:

• Cimentos e argamassas; • Revestimentos e tintas;

• Materiais para isolamento térmico; • Energias renováveis solares.

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A Nanotecnologia a serviço da

Construção Civil

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Cimentos e Argamassas

O concreto pode ser classificado de acordo com as dimensões dos agregados ou adições usadas, com isso, os concretos com adição de nanomateriais se enquadram na terceira geração.

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Cimentos e Argamassas

• As melhorias em diversas propriedades dos concretos com adição de nanomateriais se devem ao minúsculo tamanho das partículas;

• Isso contribui para o preenchimento de vazios,

• Têm o potencial para aumentar a resistência, ou retardar a propagação de fissuras em compósitos de cimento,

• Agem como agentes de nucleação de reações químicas de hidratação do cimento Portland.

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Cimentos e Argamassas

Diminuição do tamanho = aumento da área

• Uma das principais causas das propriedades especiais das nanopartículas e dos sistemas em escala nanométrica é a imensa área superficial que possuem.

• De fato, 1g de nanopartículas pode chegar a ter cerca de 1000 m2 _{de área.}

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Cimentos e Argamassas

Para estabelecermos o raciocínio, vamos utilizar uma forma geométrica muito simples: um cubo.

Vamos admitir que esse cubo possua massa de 1g e que cada aresta tenha comprimento igual a 1cm.

a área superficial total desse cubo será a soma das áreas dos 6 lados, ou seja:

Área total = 6 x 1 cm2 _{= 6 cm}2

Como o cubo possui massa de 1g, podemos dizer que a área superficial desse material é de 6 cm2_/g.

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Cimentos e Argamassas

O que ocorre com a área superficial se cortarmos o cubo inicial em cubos com exatamente metade da aresta do cubo inicial. Nesse caso, o número total de cubos será 8, com arestas de 0,5 cm. A área total será de:

Área total = (8x6) x 0.25 cm2 _{= 12 cm}2

Cortando o cubo em cubos com metade do tamanho original, e mantendo a mesma massa, a área superficial será de 12 cm2_{/g, o que} representa o dobro.

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Cimentos e Argamassas

Se repetirmos o mesmo processo (Ou seja, redividirmos os 8 cubos para que cada um gere mais 8 cubos com metade de seu tamanho teremos:

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Cimentos e Argamassas

• Em relação ao cubo inicial, um decréscimo de 4 vezes no seu tamanho resultou em um aumento de 4 vezes na área superficial.

• Agora, vamos imaginar que esse cubo foi reduzido à escala nanométrica, possuindo arestas de 1 nm;

• Para se chegar a essa aresta tivemos que dividir o cubo em 100.000.000.000.000 cubos menores.

• Vamos calcular a área:

Área total = (100000000000000 x 6) x 0,0000001 cm2 _{= 600.000.000 cm}2

Área total = 60.000 m2

Não é de admirar que diversos efeitos e propriedades especiais se manifestem em função da área quando chegamos na dimensão nanométrica.

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Cimentos e Argamassas

• Necessidade de tornar a indústria da

produção

de

cimento

e

argamassas

sustentável;

• Permite o desenvolvimento de produtos

com propriedades melhoradas;

• Estruturas mais leves, resistentes e

compactas

graças

à

utilização

de

nanopartículas

como

aditivos

aos

materiais comuns;

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Cimentos e Argamassas

No caso dos cimentos:

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Cimentos e Argamassas

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Cimentos e Argamassas

• Adição de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO₂): redução de porosidade; propriedades de auto-limpeza.

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Cimentos e Argamassas

• A incorporação de dióxido de titânio (TiO2) em combinação com o cimento Portland, gera materiais com propriedades fotocatalíticas, ou seja, uma matriz de cimento capaz de capturar e degradar poluentes atmosféricos como os óxidos de nitrogênio (NOx).

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Cimentos e Argamassas

• Adição de materiais de mudança de fase (PCM): reduzir o consumo de energia durante o uso da edificação.

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NANOTUBOS DE CARBONO - NTC

Definição Obtenção

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NTC - Definição

• Os nanotubos de carbono são estruturas cilíndricas formadas por átomos de carbono, cujo diâmetro é de um a três nanômetros (nm) e comprimento de 1.000 (nm). • Os nanotubos são 100.000

vezes mais finos que um fio de cabelo.

• Eles foram descobertos, no início de 1990, pelo pesquisador japonês Sumio Iijima.

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Síntese/obtenção dos NTC

• Processo de síntese direta e contínua de NTC sobre o clínquer de cimento

• Ultra larga escala - ton/h !!!!!

• Preço competitivo para aplicações em engenharia civil 2 vezes o preço do cimento convencional.

• Aumento em resistência mecânica

• 0,25 % de adição 38 % de aumento no módulo de tração

• Redução de porosidade – resistência ambiental

• Aumento de condutividade elétrica e térmica

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Síntese/obtenção dos NTC

Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura de NTC sobre diferentes suportes matriz de cimento

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Aplicação na construção civil

• O aumento na durabilidade de concretos e argamassas com adição de NTCs se deve as pontes de aderência que se formam na microestrutura da pasta.

• Elas controlam as fissuras geradas na matriz cimentícia e, consequentemente, promovem maiores resistências e diminuição na porosidade.

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Aplicação na construção civil

• As nanopartículas preenchem os vazios da pasta de cimento e impedem a formação de alguns cristais de baixa resistência, com isso tem-se o aumento da resistência.

• Redução da absorção por imersão e elevação da sucção capilar, devido ao refinamento dos poros.

• Desvantagem: aumento do uso de aditivo

superplastificante devido à redução da

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Revestimentos e Tintas

A incorporação de aditivos em nanopartículas em tintas e revestimentos potencializa determinadas propriedades na superfície:

• Auto-limpeza; • Despoluição; • Anticorrosivo;

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Revestimentos e Tintas

A adição de nanopartículas super hidrofílicas de TiO₂ confere:

• Propriedades de auto-limpeza às superfícies

revestidas;

• Suas características fotocatalíticas, a uma escala nanométrica, permite capacidade de atuar como agente de despoluição;

• São também utilizados como revestimentos

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Revestimentos e Tintas

Tintas e revestimentos funcionalizadas por nanoaditivos, como a sílica amorfa, silicatos de cálcio e de sódio ou o óxido de cério (CeO₂) permitem:

• Manter a flexibilidade, durabilidade, eficiência e aderência nas superfícies revestidas

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Revestimentos e Tintas

Nanoaditivos que funcionalizam os revestimentos e tintas atribuindo-lhes propriedades de isolamento térmico:

• São filmes de nanocompósito com espessura reduzida. Apresentam rede sólida tridimensional complexa e baixo valor de condutividade térmica, dificultando a condução térmica ao longo de uma parede ou um telhado.

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Gestão e Isolamento térmico

• O isolamento que tenha como base nanomateriais

permite que os edifícios adquiram melhorias

significativas em termos de aumento do conforto térmico e acústico e controle da umidade.

• Os materiais nanoestruturados são adicionados a produtos comuns, tais como a fibra de vidro, a lã de rocha, espumas e policarbonatos.

• A utilização desses materiais se deve à sua estrutura muito porosa (a porosidade confere elevada área superficial, permitindo o aumento da resistência térmica).

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Gestão e Isolamento térmico

Aerogel

• São compostos, basicamente, por: sílica (SiO₂), óxido de alumínio (Al₂O₃), óxidos de metais de transição e

lantanídeos, metais calcogenídeos, polímeros

orgânicos e inorgânicos e carbono.

• São constituídos por mais de 90% de volume gasoso que se traduz numa baixa condutividade térmica.

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Gestão e Isolamento térmico

Aerogel

• Um dos sólidos mais leves do planeta: enquanto um tijolo maciço pesa 2,5 quilos e um bloco de isopor nas mesmas dimensões tem 215 gramas, um bloco de aerogel de sílica pode ter 16 gramas.

• É um dos melhores isolantes térmicos já conhecidos – chega a ser 39 vezes mais isolante do que a melhor fibra de vidro térmica existente.

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Gestão e Isolamento térmico

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Gestão e Isolamento térmico

Aerogel de grafeno

• Pesa apenas 0,16 miligrama por centímetro cúbico – apenas duas vezes a densidade do hidrogênio.

• É uma espuma constituída por diversas lâminas de

óxido de grafeno e uma solução de nanotubos de

carbono congelados a seco.

• Durante a criação, o oxigênio é removido em um processo químico.

• A invenção é de pesquisadores chineses

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Gestão e Isolamento térmico

Aerogel de grafeno

As utilidades do aerogel ainda estão sendo estudadas, uma incrível propriedade é sua capacidade de absorção, cerca de 900 vezes o seu peso. Assim, é possível que uma importante aplicação seja na remoção de vazamentos de óleo, evitando danos ao meio ambiente.

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Gestão e Isolamento térmico

Multiplicidade de aplicação desses materiais num edifício

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Energia Fotovoltaica

• Evolução dos painéis fotovoltaicos: construção de painéis flexíveis e leves;

• Painéis fotovoltaicos orgânicos: oferecem capacidade de produção de células solares a muito baixo custo através de diferentes processos de fabrico e materiais mais baratos.

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OUTROS MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO

CIVIL

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Concreto Autocicatrizante - CAC

• Valendo-se da nanotecnologia, estuda-se a introdução de microcápsulas na formulação do concreto,

• Estas microcápsulas ao se romperem, em decorrência

da manifestação da fissura, poderiam liberar

compostos que, combinando-se ou não com a portlandita, obturariam a fissura,

• Isso dificultaria ou mesmo impediria o acesso de elementos agressivos ao concreto e às armaduras.

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Concreto Autocicatrizante - CAC

• Os concretos autocicatrizantes (CAC) vêm, gradativamente, ganhando espaço em obras no Brasil.

• A mais recente aplicação do material foi nas lajes de fundo das estações Praça Nossa Senhora da Paz, Jardim de Alá e

Antero de Quental, da futura Linha 4 do Metrô do Rio de

Janeiro.

• É utilizado aditivo cristalino;

• No Brasil, a tecnologia dos concretos autocicatrizantes é

desenvolvida nos laboratórios de pesquisa do

Departamento de Materiais do Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA).

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Concreto Autocicatrizante - CAC

Museu da Imagem e do Som, no Rio de Janeiro: uso de concreto autocicatrizante dispensa impermeabilização nas paredes externas

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Concreto Autocicatrizante - CAC

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Concreto Autocurativo

• Concreto está em fase de testes na Universidade Técnica de Delft, na Holanda.

• O concreto autocurativo contém bactérias que produzem calcário e são ativadas pela água da chuva. • Os esporos da bactéria - adicionados à fórmula do

concreto - ficam dormentes até serem atingidos pela água da chuva corroendo as estruturas do material. • Então, a bactéria, que é inofensiva, produzirá calcário

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Concreto Autocurativo

• O principal desafio é garantir que o agente "curador" seja forte o suficiente para sobreviver ao processo de mistura do concreto.

• Para isso, é preciso aplicar uma cobertura às partículas biológicas, algo que encarece o processo.

• Ainda que o agente aumente em 50% o custo do concreto, isso ainda representará apenas 1% a 2% do total dos custos de construção.

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Concreto Autocurativo

Este concreto, além de se autoconsertar, é flexível.

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• Por meio de pesquisas realizadas desde 1990, na França e no Canadá, o CPR foi desenvolvido para substituir o concreto de alto desempenho (CAD),

• E mesmo, o aço, tornando-se o material de tecnologia de ponta,

• Projetado especificamente para atender a

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• O concreto convencional atinge até 60 MPa (600 kgf/cm2); o CAD atinge resistências entre 60 e 120 MPa (600 a 1.200 kgf/cm2), e o CPR está numa faixa de resistência à compressão entre 200 MPa e 800 MPa (entre 2.000 kgf/cm2 e 8.000 kgf/cm2).

• Composto basicamente de pós - areia de quartzo, cimento comum, pó de quartzo e sílica ativa (microssílica) -, fibras de aço de pequenas dimensões, superplastificante e água, sendo os sólidos com tamanhos inferiores a 2 mm, os CPR são fabricados em condições semelhantes aos concretos convencionais, porém com baixíssima relação água/cimento -cerca de 0,15.

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• A microestrutura é a chave do desempenho do CPR, pois confere diminuta porosidade, permeabilidade no

limiar da medição e, portanto, durabilidade

excepcional.

• Comparado ao concreto clássico, observa-se uma completa mudança estrutural dos hidratos, que se

traduz por uma estrutura contínua da fase

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• No nível macroscópico, a matriz do CPR constitui um meio quase impermeável à água, tanto quanto à penetração de agentes agressivos, tais como os íons cloretos.

• Outra conseqüência direta é a ausência de poros capilares, garantindo a elevada resistência ao gelo/degelo e a quase inexistência de retração, tanto

pela baixa relação água/cimento quanto pela

porosidade diminuta, não havendo espaços para a ocorrência das variações volumétricas.

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• Exemplos dessa nova tecnologia são a passarela de Sherbrooke, no Canadá, com 56 m de vão, constituída de elementos pré-fabricados de apenas 15 cm de altura, e

• A revitalização de ponte rodoviária, também no Canadá, em que o tabuleiro e pavimentação originais foram substituídos por laje com apenas 5 cm de espessura, reduzindo a carga permanente em quase 500 kgf/m2.

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Concreto de Pós Reativos - CPR

• A utilização do CPR é bastante interessante na construção de estruturas espaciais leves, tabuleiros de pontes, vigas, colunas, passarelas, pré-fabricados de túneis ou placas de revestimento de fachadas, além de cilindros para laminação, projéteis, engrenagens, etc.

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Concreto de Pós Reativos - CPR

Ponte de pedestres em Seonyu, Seoul.

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