Theoretical review on the potential of graphene oxide addition in cementitious materials

Rocha, Vanessa Vilela; Horta, Ricardo Augusto dos Santos; Paula, Júnia Nunes de; Ludvig, Péter

Vanessa Vilela Rocha e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil CEFET-MG, Av. Amazonas, 7675, CEP: 30.510-000, Nova Gameleira, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.

Autor Responsável: Vanessa Vilela Rocha

https://orcid.org/0000-0002-6494-2019

Ricardo Augusto dos Santos Horta e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil CEFET-MG, Av. Amazonas, 7675, CEP: 30.510-000, Nova Gameleira, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.

https://orcid.org/0000-0002-2552-0972

Júnia Nunes de Paula e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil CEFET-MG, Av. Amazonas, 7675, CEP: 30.510-000, Nova Gameleira, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.

https://orcid.org/0000-0002-8522-2627

Péter Ludvig e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil CEFET-MG, Av. Amazonas, 7675, CEP: 30.510-000, Nova Gameleira, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.

https://orcid.org/0000-0001-6525-8545

e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Autor Responsável: Vanessa Vilela Rocha

ETAPAS	CARACTERÍSTICAS DA ETAPA
1ª etapa:Identificação do problema de pesquisa	Determinação do problema de pesquisa.Identificação das variáveis de interesse e palavras-chave relacionadas ao tema.
2ª etapa:Seleção das bases de dados	Pesquisa das palavras-chave nas bases de dados relacionadas à área de Engenharia Civil.Realização de duas buscas distintas:i) busca com a combinação das palavras-chave graphene oxide e cement composite, para verificar as pesquisas envolvendo a influência do óxido de grafeno nos compósitos de cimento de modo geral;ii) busca com a combinação das palavras-chave graphene oxide, cement e microstructure, para verificar as pesquisas envolvendo a influência do óxido de grafeno na microestrutura do cimento hidratado.Filtragem nos bancos de dados considerando:Tipo do documento: artigo;Linguagem: inglês;Período: publicações dos últimos 10 anos;Área do conhecimento: engenharia.
3ª etapa:Filtragem do banco de artigos bruto	Seleção por títulos dos trabalhos alinhados com o tema de pesquisa.Filtragem pelo software Mendeley (eliminação de títulos repetidos).Busca do número de citações de cada artigo no Google Scholar, ordenando-os de maneira decrescente. Seleção dos artigos que apresentavam o acumulado de até 85% do total de citações (maios reconhecimento científico).Leitura dos resumos e escolha daqueles que são alinhados com o tema de pesquisa.
4ª etapa:Extração dos dados	Coleta dos dados mais relevantes do portfólio bibliográfico obtido.Ordenação, categorização e resumo dos dados coletados.
5ª etapa: Interpretação dos resultados	Análise das informações obtidas.Análise de dados conflitantes.Levantamento de lacunas de pesquisa existentes.Discussão dos resultados encontrados.Sugestão de pesquisas futuras.
6ª etapa:Documentação	Apresentação das etapas percorridas e principais resultados evidenciados.

PALAVRAS-CHAVE	ARTIGOS ENCONTRADOS	ARTIGOS COM TÍTULO ALINHADO	ARTIGOS APÓS ELIMINAÇÃO DE REPETIÇÕES	ARTIGOS COM TÍTULO ALINHADO E RECONHECIMENTO CIENTÍFICO	ARTIGOS COM TÍTULO E RESUMO ALINHADOS E RECONHECIMENTO CIENTÍFICO
Graphene oxide; cement composites	954	160	75	22	13
Graphene oxide; cement; microstructure	400	66	53	35	34
Total de artigos selecionados (portfólio bibliográfico):					47

ID	LENTES	O QUE PROCURAR
1	Métodos de dispersão	Quais métodos foram empregados para a dispersão do OG na matriz cimentícia?
2	Microestrutura	Como a adição do OG interfere na microestrutura do compósito cimentício, em termos do arranjo cristalino e grau de porosidade?
3	Comportamento reológico	Como a introdução do OG influenciou nas propriedades reológicas (trabalhabilidade, fluidez, tensão de escoamento) do compósito cimentício?
4	Propriedades mecânicas	Quais foram os ganhos obtidos nas propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, resistências à compressão, tração e flexão) dos compósitos cimentícios com adição de OG?

ID	AUTOR	DISPERSÃO	TEOR DE OG	FA- TOR A/C	AUMENTO (%) EM RELAÇÃO ÀS AMOSTRAS DE CON- TROLE
ID	AUTOR	DISPERSÃO	TEOR DE OG	FA- TOR A/C	RESISTÊN- CIA À COM- PRESSÃO	RESIS- TÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA	RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO	MÓDULO DE ELAS- TICIDADE
1	CHEN et al. [²⁵25 CHEN, Z., ZHOU, X., WANG, X., et al. Mechanical behavior of multilayer GO carbon-fiber cement composites. Construction and Building Materials, v. 159, p. 205-212, 2018.]	Solução aquosa	0,04, 0,06, 0,08, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0% de OG e 1% de fibra de carbono	0,37	23,89% com OG e fibra de carbono	-	138,44% com OG e fibra de carborno.	-
2	GAO et al. [²³23 GAO, Y., JING, H.W., CHEN, S.J., et al. Influence of ultrasonication on the dispersion and enhancing effect of graphene oxide–carbon nanotube hybrid nanoreinforcement in cementitious composite. Composites Part B: Engineering, v. 164, p. 45-53, 2019.]	OG e NTC dispersos em água, poli- carboxilato e frequência ultrassônica	Aproxi- madamen- te 0,03%	0,4	-	-	78,80%	53,20%
3	GONG et al. [¹⁶16 GONG, K., ASCE, S.M., et al. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. Journal of Materials in Civil Engineering, v. 27, n. 2, p. 1-6, 2015.]	Ultrassom e agitador me- cânico	0.03%	0.5	46,00%	50,00%	-	-
4	HE et al. [²⁹29 HE, J., DU, S., YANG, Z., et al. Laboratory investigation of graphene oxide suspension as a surface sealer for cementitious mortars. Construction and Building Materials, v. 162, p. 65-79, 2018.]	Solução aquosa e ultrassom em três concen- trações: 0,25 g / L, 0,5 g / L e 1 g / L	-	0,3	10.8% de ganho com tratamento de superfície com OG	-	-	-
5	HORS- ZCZA- RUK et al. [¹⁵15 HORSZCZARUK, E., et al. Nanocomposite of cement/graphene oxide – Impact on hydration kinetics and Young’s modulus. Construction and Building Materials, v. 78, p. 234-242, 2015.]	Ultrassom	3,00%	0,57	-	-	-	Aumento de 1-10 Mpa para 5-20 MPa
6	HOU et al. [²2 HOU, D.I et al. Reactive molecular dynamics and experimental study of graphene-cement composites: Structure, dynamics and reinforcement mechanisms. Carbon, v. 115, p. 188-208, 2017.]	Agitador mecânico	0,16%	-	3,21%	-	11,62%	-
7	LI G.et al. [³³33 LI, G., YUAN, J.B., ZHANG, Y.H., et al. Microstructure and mechanical performance of graphene reinforced cementitious composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 114, p. 188-195, 2018.]	Plastificante em solução aquosa	0,01% a 0,05%	0,3	-	-	40% com 0,03%	-
8	LI X.et al. [⁴³43 LI, X., LIU, Y.M., LI, W.G., et al. Effects of graphene oxide agglomerates on workability, hydration, microstructure and compressive strength of cement paste. Construction and Building Materials, v. 145, p. 402-410, 2017.]	Solução aquosa e ultrassom	0,02, 0,04, 0,06, e 0,08%	0,4	46,8% com 0.08%	-	14,2% com 0.04%	-
9	LI X.et al. [³⁷37 LI, X., LU, Z., CHUAH, S., et al. Effects of graphene oxide aggregates on hydration degree, sorptivity, and tensile splitting strength of cement paste. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2017.]	Água em concentração 4 mg/ml.	0,1%, 0,15% e 0,20%,	0,4	-	67% com 0,04%	-	-
10	LI X.et al. [²⁰20 LI, X., WANG, L., LIU, Y., et al. Dispersion of graphene oxide agglomerates in cement paste and its effects on electrical resistivity and flexural strength. Cement and Concrete Composites, v. 92, p. 145-154, 2018.]	Suspensão aquosa de OG (4 mg/ml) ul- trassonizada por 5 minu- tos	0,01%, 0,02%, 0,03%, e 0,04%	0,4	-	-	83% com 0,04%	-
11	LI X.et al. [⁴⁴44 LI, X., KORAYEM, A.H., LI, C., et al. Incorporation of graphene oxide and silica fume into cement paste: A study of dispersion and compressive strength. Construction and Building Materials, v. 123, p. 327-335, 2016.]	Solução aquosa e ultrassom	0,02%	0,27	Nenhuma melhoria	-	-	-
12	LI et al. [¹1 LI, X., WEI, W., QIN, H., et al. Co-effects of graphene oxide sheets and single wall carbon nanotubes on mechanical properties of cement. Journal of Physics and Chemistry of Solids, v. 85, p. 39-43, 2015.]	Superplasti- ficante com NTC e OG	0 a 2% GO e 0 a 1% CNTs	0,4	-	-	72,7% com OG e NTCs; 51,2% com GO e 26,3% com NTCs	-
13	LIU et al. [⁴⁵45 LIU, Q., XU, Q., YU, Q., et al. Experimental investigation on mechanical and piezoresistive properties of cementitious materials containing graphene and graphene oxide nanoplatelets. Construction and Building Materials, v. 127, p. 565-576, 2016.]	Ultrassom e surfactante	0%, 0,025%, 0,05%, 0,1%, 0,2%, 0,4%, 0,8%, 1,6%, 3,2%, e 6,4%	Variado	Há picos de ganho de resistência (até 40%), porem a ten- dência de crescimento não é manti- da	-	-	-
14	LIU et al. [¹⁹19 LIU, H., YU, Y., LIU, H., et al. Hybrid effects of nano-silica and graphene oxide on mechanical properties and hydration products of oil well cement. Construction and Building Materials, v. 191, p. 311-319, 2018.]	Solução aquosa e ultrassom	0,03%	0.44	43,2% com 1,5% NS e 0,03% OG a 28 dias	-	42% com 1,5% NS e 0,03% OG a 28 dias	-
15	LONG et al. [³⁰30 LONG, W.J., WEI, J.J., XING, F., et al. Enhanced dynamic mechanical properties of cement paste modified with graphene oxide nanosheets and its reinforcing mechanism. Cement and Concrete Composites, v. 93, p. 127-139, 2018.]	Água e plas- tificante	0,05, 0,10 e 0,20%	0,5	26% com 0,05%	-	12% com 0,05%	-
16	LONG et al. [²⁸28 LONG, W.J., GU, Y., XIAO, B.X., et al. Micro-mechanical properties and multi-scaled pore structure of graphene oxide cement paste: Synergistic application of nanoindentation, X-ray computed tomography, and SEM-EDS analysis. Construction and Building Materials, v. 179, p. 661-674, 2018.]	Solução aquosa e ultrassom	0,1 e 0,2%	0,5	-	-	-	-
17	LONG et al. [³⁰30 LONG, W.J., WEI, J.J., XING, F., et al. Enhanced dynamic mechanical properties of cement paste modified with graphene oxide nanosheets and its reinforcing mechanism. Cement and Concrete Composites, v. 93, p. 127-139, 2018.]	Solução aquosa e ultrassom	0,1, 0,125, 0,2 e 0,25%	0,5	23,4% com 0,25%	-	58,9% com 0,2%	24,3%c om 0,25%
18	LU et al. [⁹9 LU, C., et al. Effect of graphene oxide on the mechanical behavior of strain hardening cementitious composites. Construction and Building Materials, v. 120, p. 457-464, 2016.]	Centrifugação	0,05, 0,08, 0,12%	0,4	24,80%	37,70%	80,60%	-
19	LU L.et al. [⁴⁶46 LU, L., ZHAO, P., LU, Z. A short discussion on how to effectively use graphene oxide to reinforce cementitious composites. Construction and Building Materials, v. 189, p. 33-41, 2018.]	Surfactante	0,05% a razão de peso de SF para GO	0,38	Gráficos indicam me- lhorias de compressão similares a de tração.	-	48,4% com superplastifi- cante PCE	-
20	LU Z.et al. [²⁶26 LU, Z., LI, X., HANIF, A., et al. Early-age interaction mechanism between the graphene oxide and cement hydrates. Construction and Building Materials, v. 152, p. 232-239, 2017.]	Água em concentração 4 mg/ml e ultrassom	0,02, 0,04 e 0,08%	0,48	-	-	-	-
21	LU Z.et al. [²¹21 LU, Z., HANIF, A., SUN, G., et al. Highly dispersed graphene oxide electrodeposited carbon fiber reinforced cement-based materials with enhanced mechanical properties. Cement and Concrete Composites, v. 87, p. 220-228, 2018.]	Ultrassom e agitador magnético	0,05%	0,35	-	-	-	-
22	LU Z.et al. [²⁷27 LU, Z., HOU, D., HANIF, A., et al. Comparative evaluation on the dispersion and stability of graphene oxide in water and cement pore solution by incorporating silica fume. Cement and Concrete Composites, v. 94, p. 33-42, 2018.]	Solução aquosa e ultrassom	0,05% de GO e 1% de CF	0,2	8,70%	-	14,80%	-
23	LV et al. [¹¹11 LV, S., et al. Effect of graphene oxide nanosheets of microstructure and mechanical properties of cement composites. Construction and Building Materials, v. 49, p. 121-127, 2013.]	Ultrassom	0,01, 0,02, 0,03 0,04 e 0,05%	0,37	38,90%	78,60%	60,70%	-
24	LV, et al. [¹⁸18 LV, S., LIU, J., SUN, T., et al. Effect of GO nanosheets on shapes of cement hydration crystals and their formation process. Construction and Building Materials, v. 64, p. 231-239, 2014.]	Ultrassom	0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0,05 e 0,06%	0,29	127,5% com 0,05%	-	130,8% com 0,04%	-
25	LV, et al. [³¹31 LV, S.H., et al. Fabrication of polycarboxylate/graphene oxide nanosheet composites by copolymerization for reinforcing and toughening cement composites. Cement and Concrete Composites, v. 66, p. 1–9, 2016.]	Água e ul- trassom	0,01, 0,02, 0,03, 0,04 e 0,05%	0,29	56,5% com 0,03% de OG e 0.19% de policarboxi- lato	-	77,6% com 0.03% de OG e 0.19% de poli- carboxilato	-
26	MO- HAM- MED et al. [⁸8 MOHAMMED, A., et al. Incorporating graphene oxide in cement composites: A study of transport properties. Construction and Building Materials, v. 84, p. 341-347, 2015.]	Solução aquosa	4mg de OG/ml de água	0,34	35% aos 28 dias	-	-	-
27	MOKHT AR et al [³⁸38 MOKHTAR, M.M., ABO-EL-ENEIN, S.A., HASSAAN, M.Y. Mechanical performance, pore structure and micro-structural characteristics of graphene oxide nano platelets reinforced cement. Construction and Building Materials, v. 138, p. 333-339, 2017.]	Solução aquosa e ultrassom	0,01, 0,02, 0,03, 0,04 e 0,05%	-	13% com 0,02%	41% com 0,03%	-	-
28	PAN et al. [⁴4 PAN, Z., HE, L., QIU, L., et al. Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite. Cement and Concrete Composites, v. 58, p. 140-147, 2015.]	Ultrassom e agitador me- cânico	0,05%	0,5	15-33%	-	41-59%	Pequeno aumento de 3,48 para 3,70 GPa em presen- ça de OG
29	PENG, et al. [⁴⁹49 PENG, H., GE, Y., CAI, C.S., et al. Mechanical properties and microstructure of graphene oxide cement-based composites. Construction and Building Materials, v. 194, p. 102-109, 2019.]	Solução de água, plasti- ficante e OG ultrassonifi- cado por 5 minutos	0%, 0,01%, 0,03%, e 0,05%	0,3, 0,35, 0,4, 0,45 e 0,5	5,16% com 0,01% de OG	-	21,9% com 0,03% de OG	-
30	ROY et al. [⁴⁷47 ROY, R., MITRA, A., GANESH, A.T., et al. Effect of Graphene Oxide Nanosheets dispersion in cement mortar composites incorporating Metakaolin and Silica Fume. Construction and Building Materials, v. 186, p. 514-524, 2018.]	Ultrassom	0,03, 0,05, 0,10 e 0,20%	0,5	90,9% com 0,05% a 28 dias	-	181,10% com 0,10% a 28 dias	-
31	SHAR- MA & KOTHI- YAL [⁴⁰40 SHARMA, S., KOTHIYAL, N.C. Influence of graphene oxide as dispersed phase in cement mortar matrix in defining the crystal patterns of cement hydrates and its effect on mechanical, microstructural and crystallization properties. RSC Advances, v. 5, n. 65, p. 52642-52657, 2015.]	Ultrassom e agitador me- cânico	0,125, 0,25, 0,5 e 1,0%	0,45	63,3% para OG (14nm de espessura) 86,3% para OGb (3nm de espessura)	-	-	-
32	SHAR- MA & KOTHI- YAL [³⁹39 SHARMA, S., KOTHIYAL, N.C., Comparative effects of pristine and ball-milled graphene oxide on physico-chemical characteristics of cement mortar nanocomposites. Construction and Building Materials, v. 115, p. 256-268, 2016.]	Água e ul- trassom	0,1% e 0,125%	0,45	Ganho má- ximo de 40% com Graphe- ne Oxide Nanoplatelets após 90 dias	-	-	-
33	SHAR- MA et al. [⁴⁸48 SHARMA, S., SUSAN, D., KOTHIYAL, N.C., et al. Graphene oxide prepared from mechanically milled graphite: Effect on strength of novel fly-ash based cementitious matrix. Construction and Building Materials, v. 177, p. 10-22, 2018.]	Solução aquosa e presença de superplastifi- cante	0,125%, 0,25%, 0,50% e 1%	0,45	35% com 0,125% de OG	96% com 0,125% de OG	-	-
34	TONG et al. [¹⁷17 TONG, T., et al. Investigation of the effects of graphene and graphene oxide nanoplatelets on the micro- and macro-properties of cementitious materials. Construction and Building Materials, v. 106, p. 102-114, 2016.]	Ultrassom	0,1%	0,54	10,20- 13,20%	-	-	-
35	WANG, MIN et al. [⁴¹41 WANG, M., et al. Study on the three dimensional mechanism of graphene oxide nanosheets modified cement. Construction and Building Materials, v. 126, p. 730-739, 2016.]	Ultrassom e agitador me- cânico	0,01, 0,02, 0,03, 0,04 e 0,05%	0,33	Ganho máx de 25,28%	-	Ganho máx de 56,62%	-
36	WANG, QIN et al. [³⁶36 WANG, Q,, et al. Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement. New Carbon Materials, v. 30, n. 4, p. 349-356, 2015.]	Não revelado	0,01, 0,02, 0,03 ,004 e 0,05%	0,37	24,40%	-	70,50%	-
37	YANG et al. [⁵⁰50 YANG, H., MONASTERIO, M., CUI, H., et al. Experimental study of the effects of graphene oxide on microstructure and properties of cement paste composite. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 102, p. 263-272, 2017.]	Plastificante	0,01%, 0,02%, 0,03%, e 0,04%,	0,4	42,30% à 7 dias	-	-	-
38	ZHAO et al. [³⁴34 ZHAO, L., GUO, X., LIU, Y., et al. Hydration kinetics, pore structure, 3D network calcium silicate hydrate, and mechanical behavior of graphene oxide reinforced cement composites. Construction and Building Materials, v. 190, p. 150-163, 2018.]	Plastificante em solução aquosa	0,011% a 0,066%	0,29, 0,36, 0,45 e 0,50	34,10%	-	30,37%	32,37%
39	ZHAO et al. [²²22 ZHAO, L., et al. Investigation of the effectiveness of PC@GO on the reinforcement for cement composites. Construction and Building Materials, v. 113, p. 470-478, 2016.]	Ultrassom	0.022%	0.42	27,64%	-	26,74%	-
40	ZHAO et al. [⁴²42 ZHAO, L., GUO, X., GE, C., et al. Mechanical behavior and toughening mechanism of polycarboxylate superplasticizer modified graphene oxide reinforced cement composites. Composites Part B: Engineering, v. 113, p. 308-316, 2017.]	Ultrassom	0,011, 0,022, 0,044 e 0,066%	0,42	34,10%	-	30,37%	32,37%
41	ZHAO et al. [³⁵35 ZHAO, L., GUO, X., LIU, Y., et al. Investigation of dispersion behavior of GO modified by different water reducing agents in cement pore solution. Carbon, v. 127, p. 255-269, 2018.]	Solução aquosa de OG com superplastifi- cante e agita- ção electro- magnética e ultrassônica	0,05, 0,1, 0,2 0,022 e 0,3%	0,5	Até 25.06%	-	-	-
42	ZHAO et al. [⁵¹51 ZHAO, L., et al. Mechanical behavior and toughening mechanism of polycarboxylate superplasticizer modified graphene oxide reinforced cement composites. Composites Part B: Engineering, v. 113, p. 308–316, 2018.]	Em diversos plastificantes	0,011%, 0,022%, 0,044% e 0,066%	0,42	Não informa quantitativa- mente	-	-	-
43	ZHOU et al. [²⁴24 ZHOU, C., LI, F., HU, J., et al. Enhanced mechanical properties of cement paste by hybrid graphene oxide/carbon nanotubes. Construction and Building Materials, v. 134, p. 336-345, 2017.]	Ultrassom	0,02% OG e 0,04% NTC	0,4	23,90%	-	16,70%	-

ID	LENTES	OPORTUNIDADES
1	Métodos de dispersão	Mesclar diferentes técnicas de dispersão para permitir maiores concentrações de OG. Verificar a eficiência de outros aditivos na dispersão do OG, como lignosulfonato ou polinaftaleno sulfonato.
2	Microestrutura	Produzir imagens do arranjo cristalino de compósitos cimentícios com adição de OG. Produzir imagens da zona de interface pasta-agregado.
3	Comportamento reológico	Realizar estudos sobre o tempo de pega de compósitos cimentícios com adição de OG. Utilizar o reômetro digital para verificação da medida de fluidez obtida no teste de mini-slump.
4	Propriedades mecânicas	Realizar mais estudos sobre os efeitos da adição de OG no módulo de elasticidade de compósitos cimentícios.
Outros		Verificar os efeitos da adição de OG em concretos.

[1] e-mail: vrvanessavilela@gmail.com, ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, peter@cefetmg.br

Brasil

Brasil

Theoretical review on the potential of graphene oxide addition in cementitious materials

ABSTRACT