ARTIGO DE REVISÃO
NASCIMENTO, Adlley Kaíque Silva do [1], LAURSEN, Anderson [2]
NASCIMENTO, Adlley Kaíque Silva do. LAURSEN, Anderson. Utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios: revisão de literatura. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano. 07, Ed. 09, Vol. 02, pp. 77-97. Setembro de 2022. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/utilizacao-de-nanomateriais, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/utilizacao-de-nanomateriais
RESUMO
Atrelado ao próprio curso da história humana houve o desenvolvimento e o aprimoramento das técnicas de manipulação de materiais e suas estruturas, refletindo no surgimento da nanotecnologia, que lançou braço em todos os campos do conhecimento, inclusive no da construção civil. Os nanomateriais, frutos do advento da nanotecnologia, possibilitaram a alteração dos materiais já utilizados na construção promovendo o aperfeiçoamento do seu desempenho e de suas características. Em vista disso, o presente estudo guia-se pela seguinte questão norteadora: quais os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios? Sendo assim, o objetivo geral deste estudo foi identificar os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios. Para que o objetivo pudesse ser alcançado a metodologia definida foi a de revisão sistemática de literatura, utilizando a base de dados do Google Acadêmico para levantar pesquisas relevantes quanto ao tema, delimitando, para tal, o período de publicação dos trabalhos. Desta forma, foram analisados artigos científicos, monografias de conclusão de curso, dissertações de mestrado e teses doutorais. Conclui-se a partir desse estudo que os nanomateriais quando incorporados aos mais diversos compósitos cimentícios provocam efeitos muito desejados no campo da engenharia civil, como o aumento da resistência mecânica, a leveza dos compósitos, melhorias quanto à elasticidade, propriedade autolimpante, dentre outros. Por tanto, atesta-se a importância da continuidade das pesquisas no campo dos nanomateriais devido às propriedades significativas que estes podem proporcionar aos elementos da construção civil.
Palavras-chave: Nanotecnologia, Nanomateriais, Compósitos cimentícios.
1. INTRODUÇÃO
A história dos materiais deu-se em uma tênue linha com a própria história do desenvolvimento da humanidade. Na antiguidade as pessoas tinham acesso apenas a materiais simples, que eram dispostos pela própria natureza (pedra, madeira, pele, alguns metais, por exemplo) e estes supriam suas necessidades. Com o passar do tempo, o desenvolvimento e formação de uma sociedade complexa trouxe consigo uma maior exigência no que diz respeito ao uso dos materiais e com isso o surgimento de novos materiais, formados a partir de combinações ou manipulações mais rústicas. Não foi senão nos últimos 100 anos que se percebeu que a estrutura dos materiais poderia ser manipulada com o propósito de alterar seu desempenho e suas propriedades de acordo com a necessidade do seu uso (CALLISTER; RETHWISCH, 2013).
A partir daí, o aprimoramento das técnicas de manipulação de materiais e as exigências das buscas por novas fontes tecnológicas culminaram no desenvolvimento da nanotecnologia, que “invadiu” todas as áreas do conhecimento, inclusive a da construção civil através do fornecimento de nanomateriais para trabalharem em conjunto com os tradicionais elementos da construção, aprimorando seu desempenho.
Em vista disso, com base nos elementos anteriormente citados, o presente estudo guia-se pela seguinte questão norteadora: quais os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios?
Nesse raciocínio, a presente pesquisa tem o objetivo geral de identificar os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios.
Este estudo quanto à abordagem caracteriza-se como quantitativo devido a sua natureza objetiva de investigação, onde os parâmetros podem ser observados e estudados matematicamente, independendo assim da subjetividade do avaliador (CRESWELL, 2010). Quanto à natureza classifica-se como aplicado, pois direciona-se a um campo específico do conhecimento no intuito de destacar fatos relevantes provenientes dos resultados de pesquisas anteriores (CORRÊA, 2021). Quanto aos objetivos é descritivo, uma vez que, não é influenciado pelo pesquisador, tendo o intuito de caracterizar e trazer mais informações acerca do objeto de estudo (ARAGÃO; NETA, 2017). Por fim, quanto ao procedimento é bibliográfico, pois configura-se como um estudo secundário conduzido a partir de outros estudos já publicados, analisando-os e descrevendo seus resultados (MARCONI; LAKATOS, 2003).
O material de referência utilizado foi obtido na base de dados do Google Acadêmico, através de coleta de dados realizada do dia 01 de julho de 2022. A busca deu-se a partir da determinação de palavras-chave com expressiva representatividade quanto à temática abordada, a saber: nanomateriais, nanotecnologia, compósitos cimentícios, concreto, materiais de construção e construção civil. Obteve-se retorno de 1390 resultados, desta maneira foram estabelecidos três critérios do tipo inclusão/exclusão com a intenção de trabalhar com pesquisas que representassem melhor o posicionamento atual quanto ao tema de estudo. O primeiro foi quanto ao ano de publicação, sendo assim selecionadas apenas as pesquisas publicadas a partir de 2020, reduzindo o número de resultados para 226. O segundo critério foi o de relacionar-se diretamente ao tema de estudo, pois apesar de palavras-chave serem previamente definidas várias publicações não tinham ligação direta quanto ao tema delimitado: “utilização de nanomateriais em compósitos”. Desta maneira, o universo inicial de análise foi composto por 29 pesquisas nas formas de artigos científicos, monografias de conclusão de curso de graduação, dissertações de mestrados, teses doutorais e capítulos de livro.
O terceiro critério consistiu em identificar os materiais abordados em cada pesquisa, assim como contabilizar sua incidência dentro do universo da análise. Sendo selecionados para os fins deste estudo os quatro principais nanomateriais (nanossílica, óxido de grafeno, nanotubos de carbono e nanotitânia), que juntos representaram mais da metade das ocorrências dentro do universo inicial.
Dito isto, todas as ocorrências dos materiais que foram considerados para esta pesquisa estão registradas em tabelas (apresentadas no desenvolvimento). Por fim, dos 29 estudos selecionados inicialmente, 21 citaram/abordaram os quatro nanomateriais tratados neste estudo, sendo considerados os marcos teóricos da pesquisa.
2. DESENVOLVIMENTO
Como dito anteriormente, o presente trabalho tem o objetivo de identificar os efeitos apontados pela literatura quanto a utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios, através do levantamento de pesquisas científicas realizadas acerca da utilização de nanomateriais em compósitos científicos, a tabela abaixo informa os tipos de publicações que compuseram o universo inicial da pesquisa e, por conseguinte, o gráfico evidencia o percentual dos tipos de trabalhos consultados.
Tabela 1: Tipos de publicações analisadas
| Natureza das publicações analisadas | Incidência |
| Dissertação de mestrado | 8 |
| Artigo científico | 10 |
| Monografia de conclusão de curso | 6 |
| Tese de doutorado | 4 |
| Capítulo de livro | 1 |
| TOTAL | 29 |
Fonte: Autor (2022).
Gráfico 1: Distribuição percentual dos tipos de trabalhos consultados
2.1 NANOTECNOLOGIA NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Em termos claros a nanotecnologia pode ser entendida como a “tecnologia do super pequeno”, isso porque quando essa terminologia é utilizada refere-se a proporções muito inferiores àquelas que se costuma lidar no dia a dia. Para ilustrar de maneira concreta a escala nano faz referência à ordem de medida da bilionésima parte de um metro. É como se uma vara de 1 metro de comprimento fosse dividida em 1 bilhão de partes equivalentes, uma dessas partes resultantes representaria a escala em questão. Essa técnica, aplicável nos mais diversos campos das ciências, permite a manipulação de materiais no intuito de obter um aprimoramento nas suas características levando a avanços significativos no conhecimento e na indústria (GLEIZE, 2007).
A nanotecnologia tem sido aplicada nas mais diversas áreas do conhecimento, desde eletrônicos (talvez a aplicação mais comum e intuitiva), até mesmo na indústria de alimentos e mais recentemente tem ganhado destaque e importância na construção civil. Isso decorre do fato de que a construção tem se tornado mais exigente e alternativas para o aperfeiçoamento das propriedades dos materiais têm sido largamente buscadas. O resultado foi o desenvolvimento dos estudos que tratam a respeito da aplicação da nanotecnologia para a melhoria dos materiais de construção civil (RIBEIRO; LENCIONI; SANTOS, 2021; VENTURA, 2020).
2.1.1 NANOMATERIAIS EM COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS
Os nanomateriais são aqueles provenientes do avanço e do desenvolvimento do ramo da nanotecnologia e sua dimensão compreende-se no intervalo de 1 a 100 nanômetros. Quando se trata de uma escala tão pequena quanto a nano os materiais variam suas características de maneira muito nítida em relação às escalas micro e macro, propriedades como arranjo estrutural e coloração do material são exemplos de variações que podem ocorrer com a mudança de escala (RIBEIRO; LENCIONI; SANTOS, 2021).
Em decorrência dessa variância, diversos estudos e pesquisas têm sido realizados para compreender o comportamento e as implicações da incorporação de nanomateriais em elementos da construção civil, com o objetivo de obter características aprimoradas. Desta maneira, o presente estudo propôs-se a identificar os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios.
A tabela abaixo ilustra todos os nanomateriais que foram identificados na análise das publicações levantadas, assim como sua incidência:
Tabela 2: Nanomateriais identificados nas pesquisas consultadas
| Nanomateriais abordados nas pesquisas | Número de ocorrências |
| Nanossílica | 12 |
| Óxido de grafeno | 7 |
| Nanotubos de carbono | 6 |
| Nanotitânia | 4 |
| Óxido de zinco | 3 |
| Dióxido de zircônio | 2 |
| Nano-alumina | 2 |
| Óxido nano-férrico | 2 |
| Dióxido de titânio dopado com óxido de tugstênio | 1 |
| Nanocelulose | 1 |
| Nanocristais de celulose de resíduo de algodão | 1 |
| Nanofibras celulósicas de taboca | 1 |
| Nanofibras de carbono | 1 |
| Nanolátex | 1 |
| Nano-metacaulim | 1 |
| Nanopartículas de carbonato de cálcio | 1 |
| Nanopartículas magnéticas | 1 |
| Óxido de cromo | 1 |
| Óxido de nióbio | 1 |
| Pseudoboemita com poliacrilato de sódio | 1 |
Fonte: Autor (2022).
O gráfico de Pareto, abaixo, evidencia que mais da metade dos estudos analisados concentraram suas investigações nos seguintes nanomateriais: nanossílica, óxido de grafeno, nanotubos de carbono e nanotitânia. Com isso, esses serão os elementos abordados para os fins deste estudo.
Gráfico 2: Percentual acumulado da representatividade dos nanomateriais
2.1.1.1 TABELAS-RESUMO DOS NANOMATERIAIS SELECIONADOS
Como discutido na metodologia, os marcos teóricos do presente estudo foram constituídos de 21 pesquisas analisadas e selecionadas a partir da definição de critérios. A seguir apresenta-se, distribuída da Tabela 3 até a Tabela 10, a síntese dos resultados observados em cada uma das pesquisas analisadas, resultados estes que conduziram a uma resposta para a questão norteadora deste estudo.
Tabela 3: Resumo dos autores (nanossílica – parte 1)
Tabela 4: Resumo dos autores (nanossílica – parte 2)
Tabela 5: Resumo dos autores (nanossílica – parte 3)
Tabela 6: Resumo dos autores (nanossílica – parte 4)
Tabela 7: Resumo dos autores (óxido de grafeno – parte 1)
Tabela 8: Resumo dos autores (óxido de grafeno – parte 2)
Tabela 9: Resumo dos autores (nanotubos de carbono)
Tabela 10: Resumo dos autores (nanotitânia)
2.1.1.2 NANOSSÍLICA
A nanossílica consiste no SiO2 (dióxido de silício) tratado em escala nano, que permite a alteração de suas características no intuito de obter propriedades específicas. Quando o dióxido de silício é incorporado a compósitos cimentícios o desempenho destes pode ser sensivelmente alterado com base no controle das características daquele. Isso justifica o crescente número de pesquisas que têm sido desenvolvidas no intuito de buscar aprimoramento nesta técnica (GURGEL, 2020).
No estudo conduzido por Strapasson et al. (2021) foi avaliado os efeitos da incorporação da nanossílica ao concreto de alta resistência (CAR) em diferentes teores, 1,5% e 3,0%, em relação a massa de cimento. Foi possível concluir que os efeitos significativos foram observados apenas para o teor de 3,0% quando comparado ao traço base (sem nenhuma incorporação). O principal efeito notado foi quanto ao módulo de elasticidade do material, benefícios quanto à resistência mecânica não foram obtidos, apesar de serem esperados. No mais houve elevação no consumo de água o que prejudica a zona de transição do material elevando a fragilidade e a possibilidade de ataques ao material. Muito provavelmente a limitação dos resultados obtidos deve-se ao fato de não ter sido realizada a dispersão/funcionalização do material, como relata o próprio autor.
A pesquisa de Pedroso (2021) com o objetivo de analisar os efeitos da incorporação da nanossílica, com diferentes teores em relação a massa de cimento, ao concreto nas idades de 7 e 28 dias também não revelou resultados significativos no que diz respeito a melhoria do desempenho mecânico. Porém o autor atribui a possibilidade do resultado obtido a não heterogeneidade das características das amostras. Já a dissertação de Souza (2021) revelou resultados positivos quanto a incorporação da nanossílica ao concreto, com o teor de 2% em substituição ao volume de cimento. Os resultados observados foram a elevação da resistência nas idades iniciais, em contrapartida houve aumento da absorção de água e redução da trabalhabilidade demandando uma maior quantidade de aditivos para a manutenção desta.
2.1.1.3 ÓXIDO DE GRAFENO
Na pesquisa conduzida por Correa Neto et al. (2020) com incorporação de diversos teores do óxido de grafeno à pasta cimentícia, pode-se observar características muito positivas no que diz respeito ao ganho de resistência mecânica à compressão, o teor de 0,3% revelou o melhor desempenho possível com ganhos de resistência variando até 65,6%. Em contrapartida, os teores mais altos revelaram a formação de estruturas lamelares na zona agregado/pasta cimentícia fragilizando-a e consequentemente reduzindo a propriedade de resistência mecânica.
A análise realizada por Santos; Bispo; Tedeschi, (2021) revela que apesar de as pesquisas ainda estarem em seus primeiros passos quanto à utilização de nanomateriais na construção civil, os efeitos já se tornam evidentes. Foram pontuados os efeitos de ganho de resistência mecânica à compressão, além da melhoria da aderência das pastas cimentícias assim como sua resistência à tração quando incorporado, o óxido de grafeno, aos mais diversos compósitos cimentícios.
2.1.1.4 NANOTUBOS DE CARBONO (NTC)
No trabalho conduzido por Silva (2020) foram determinados três traços distintos para a avaliação dos resultados quanto à incorporação dos nanotubos de carbono, sendo um traço de referência (sem NTC), um com teor de 0,2% e um terceiro com o teor de 0,3%. No que se diz respeito aos resultados foram obtidas melhorias consideráveis, como o ganho de resistência mecânica. Para o teor de 0,2% as resistências aos 7 e 14 dias foram superiores às do traço de referência, já aos 28 dias foi inferior tanto em relação ao traço de referência (na mesma idade) quanto aos resultados de 7 e 14 dias (para o mesmo teor). Já para o teor 0,3% apesar de não haver decréscimos nas resistências os resultados se mostraram inferiores aos resultados do traço de referência. Ademais, com o aumento do teor houve aumento no ar incorporado e consequente diminuição de densidade de massa, por fim, sobre a resistência à tração na flexão houve melhoria de desempenho em todos os casos, com exceção do teor 0,2% na idade de 28 dias.
Uma justificativa plausível para os decréscimos pontuais evidenciados no trabalho anterior pode ser observada na tese doutoral de Silvestro (2022), ele aborda as excelentes propriedades que os NTC apresentam, tais como: módulo de elasticidade, resistência na tração e na compressão, estabilização química, quando não associados a outros materiais. Porém quando eles são incorporados em compósitos cimentícios dois são os principais desafios a serem superados: as dificuldades de dispersão dos NTC e a reduzida interação entre as interfaces dos nanotubos e dos demais materiais. Desta maneira, baseando-se nos resultados obtidos pelo pesquisador, possivelmente uma dispersão e funcionalização com materiais adequados pudessem resolver a questão dos decréscimos de resistência encontrados no trabalho anterior.
2.1.1.5 NANOTITÂNIA
A nanotitânia ou nano-TiO2 (nano – dióxido de titânio) é um dos nanomateriais mais interessantes, com uma propriedade de grande utilidade no contexto da construção civil, a propriedade autolimpante, como observa-se a seguir:
A adição de nano-TiO2 em amostras de concreto pode fornecer propriedades de autolimpeza para o concreto. O concreto contendo essas nanopartículas pode permitir uma degradação fotocatalítica de poluentes (por exemplo, VOCs, CO, NOx, aldeídos e clorofenóis). Porém, este efeito é menos eficiente com o envelhecimento devido à carbonatação [4,23]. Isso é devido a um filme fino de TiO2 na superfície do concreto que pode fornecer oxigênio ativo sob a luz UV presente em luz solar. Assim, catalisa a degradação da matéria orgânica localizada no nano-TiO2 que reveste a superfície de concreto (LIMA et al., 2022, p. 4).
Na avaliação realizada por Ribeiro; Lencioni; Santos (2021) pode-se observar a corroboração da mesma característica para as nanopartículas de dióxido de titânio, destacando sua propriedade fotocatalítica comparando amostras de argamassa expostas a radiação UV, onde as que possuem incorporação de nano-TiO2 conseguem permanecer mais limpas com o decorrer do tempo.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
É notório que apesar da presença nos mais diversos campos de estudo, na construção civil a entrada da nanotecnologia foi tardia, implicando não só o atraso das pesquisas sobre nanotecnologia nessa área, mas também a não popularização das técnicas no dia a dia dessa ciência. Mesmo assim, dentre as publicações consideradas para esse estudo foram identificados e registrados 19 diferentes tipos de nanomateriais/nanopartículas, essa diversidade indica que, de fato, esse campo tem se destacado e cada vez mais novas pesquisas têm sido realizadas.
Com isso, retoma-se a questão norteadora que orientou esse estudo: quais os efeitos apontados pela literatura quanto à utilização de nanomateriais em compósitos cimentícios? A resposta que se pôde obter é que para todos os nanomateriais avaliados observou-se a diminuição da trabalhabilidade das misturas, levando a necessidade da utilização de aditivos químicos (plastificante ou super plastificante) para compensar essa perda e ser possível atingir um abatimento estabelecido previamente em projeto. Esse fato se deve a dimensão das nanopartículas que elevam a absorção da água incorporada à mistura. Também foram evidenciados efeitos quanto ao desempenho mecânico, principalmente referente ao ganho de resistência, sendo o óxido de grafeno e os nanotubos de carbono os materiais que mais representaram desempenho nesse quesito e a nanotitânia o menos expressivo nesse campo. A incorporação de ar na mistura, foi observada para todos os materiais estudados, devido a fineza das partículas utilizadas. No que se refere a propriedades arquitetônicas, o grande destaque vai para o TiO2 por sua capacidade fotocatalítica quando exposto a raios UV, auxiliando na manutenção da coloração de fachadas de edificações.
Em vista dos efeitos observados, é necessário que pesquisas continuem sendo realizadas para que haja uma popularização do uso dessas técnicas, não somente nos laboratórios, mas especialmente no canteiro de obras e nas indústrias de insumos da construção civil. O barateamento dessa tecnologia, assim como a determinação de novas formas de síntese desses materiais poderão proporcionar essa disseminação.
O estudo demonstrou que a utilização dos nanomateriais é benéfica para a engenharia civil, proporcionando benefícios quanto à resistência dos materiais, o módulo de elasticidade, a incorporação de ar, a leveza dos compósitos cimentícios, o melhoramento das zonas de interface agregado/pasta cimentícia, até mesmo propriedades importantes no campo arquitetônico como a autolimpeza de revestimentos. Portanto, o desenvolvimento da pesquisa em nanotecnologia no setor da construção civil proporciona em grande escala a solução de problemáticas e o aprimoramento do desempenho de materiais.
REFERÊNCIAS
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[1] Graduando em Engenharia Civil. ORCID: 0000-0002-3227-0326.
[2] Orientador. ORCID: 0000-0002-9941-905X.
Enviado: Agosto, 2022.
Aprovado: Setembro, 2022.
