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Ambiente Construído

Print version ISSN 1415-8876On-line version ISSN 1678-8621

Ambient. constr. vol.20 no.1 Porto Alegre Jan./Mar. 2020  Epub Dec 05, 2019

https://doi.org/10.1590/s1678-86212020000100375 

Artigos

Incorporação de óxido de grafeno em argamassa de revestimento: uma visão sustentável

Incorporation of graphene oxide in coating mortar: a sustainable view

Marla Corso1 
http://orcid.org/0000-0001-5168-5407

Lilian Keylla Berto2 
http://orcid.org/0000-0003-0343-9433

Ana Carolina Dias de Albuquerque3 
http://orcid.org/0000-0003-1620-5708

Jean Halison de Oliveira4 
http://orcid.org/0000-0001-7408-6503

Silvia Luciana Favaro5 
http://orcid.org/0000-0002-3963-1892

Luciana Cristina Soto Herek Rezende6 
http://orcid.org/0000-0001-9677-4139

1Universidade Positivo Campo Mourão - PR - Brasil

2UniCesumar Maringá - PR - Brasil

3UniCesumar Maringá - PR - Brasil

4Universidade Estadual de Maringá Maringá - PR - Brasil

5Universidade Estadual de Maringá Maringá - PR - Brasil

6UniCesumar Maringá - PR - Brasil


Resumo

A nanotecnologia tem avançado muito nos últimos anos, promovendo o surgimento de novos materiais, como o grafite e suas composições, como óxido de grafeno e grafeno. Diante disso, este estudo avaliou física, química e mecanicamente argamassa de revestimento com incorporação de óxidode grafeno nas proporções de 0,04% e 0,1%. A adição provocou mínimas interferências nas propriedades físicas das argamassas contendo óxido de grafeno quando comparada à argamassa de referência, não comprometendo a argamassa final. Porém, com relação às propriedades mecânicas houve um aumento na resistência à compressão nas argamassas modificadas, quando comparadas à argamassa de referência, e a função desejabilidade pôde determinar que, com 82,45% de otimização, a proporção de 0,1% contribuiu para as melhores condições para a resistência à compressão e à tração na flexão das argamassas modificadas. As análises de superfície também colaboraram com a comprovação desse fato, pois é possível visualizar que quando há melhoria na dispersão do óxido de grafeno nas matrizes cimentícias, ocorre melhoria nas propriedades mecânicas.

Palavras-chave: Construção civil; Nanomateriais de carbono; Argamassa; Óxido de grafeno; Propriedades mecânicas

Abstract

Nanotechnology has greatly developed in recent years, promoting the emergence of new materials, such as graphite and its compositions as graphene oxide and graphene. This study performs a physical, chemical and mechanical evaluation of a coating mortar with graphene oxide incorporation at the proportions of 0.04% and 0.1%. The addition caused minimal interference in the physical properties of graphene oxide-containing mortars, when compared to the reference mortar, without compromising the final mortar. However, with regards to the mechanical properties, there was an increase in the compressive strength of modified mortars when compared to the reference mortar and the desirability function determined that with 82.45% of optimisation, the proportion of 0.1% contributed to improve the conditions for compressive strength and flexural tensile strength of modified mortars. The image analyses also corroborated with this fact, as it was possible to see that when there was better dispersion of graphene oxide on the cementitious matrices, the mechanical properties also improved.

Keywords: Construction; Carbon nanomaterials; Mortar; Graphene oxide; Mechanical properties.

Introdução

O aumento significativo da população mundial tem proporcionado também o aumento do número de construções e reformas e, consequentemente, o cimento tem se destacado pela sua utilização em grande escala, pois é considerado o principal aglutinante dos agregados. Além de ser considerado o material de construção mais utilizado no mundo (BABAK et al., 2014; PARVEEN et al., 2015; TRAGAZIKIS et al., 2018).

Em decorrência desse fato, há uma grande produção e utilização desse material, cerca de 71.000.000 toneladas por ano (CÂMARA..., 2019). Acredita-se que cerca de 7% das emissões globais de dióxido de carbono (CO2) provém da produção do cimento Portland. Cada tonelada de cimento gera aproximadamente entre 650 kg e 920 kg de CO2 (ABDEL-GAWWAD; ABO-EL-ENEIN, 2016).

Mesmo que o cimento Portland seja muito utilizado e tenha alta resistência à compressão, os valores de resistência à tração e à flexão são baixos (FERRO et al., 2014; RHEE et al., 2015; SAAFI et al., 2015), o que o torna frágil e com durabilidade reduzida, contribuindo para a formação de fissuras nas estruturas e, consequentemente, permitindo deformações (LE; DU; PANG, 2014; CHUAH et al., 2014; LI et al., 2016).

Essas deformações podem gerar patologias na construção, pois interferem nos agentes presentes no concreto, tais como água, CO2 e cloreto (DU; PANG, 2015). Para a melhoria das propriedades mecânicas é necessário o desenvolvimento de técnicas e uso de materiais que permitem a fabricação de produtos mais duráveis, redução da quantidade de cimento e a consequente redução de emissão de CO2 no ambiente (BABAK et al., 2014; RHEE et al., 2015; SUMESH et al., 2017).

Diferentes áreas da ciência vêm analisando o emprego de materiais com o intuito de obter potenciais inovadores. Na área da construção civil, a nanotecnologia merece destaque, pois proporciona a fabricação de materiais com melhores propriedades mecânicas (DU; PANG, 2015; SILVA et al., 2017).

Os nanomateriais, como nanotubos e nanofibras, são exemplos do uso da nanotecnologia na construção civil, pois ao serem adicionados aos compósitos cimentícios apresentam melhorias nas propriedades de resistência à compressão, à flexão e à tração. Chuah et al. (2014) e Li et al. (2016, 2017) relatam em seus trabalhos que as nanopartículas promovem interações com a argamassa, prevenindo a formação de fissuras em uma escala nanométrica. Outra vantagem é a redução dos fenômenos de capilaridade, uma vez que os nanotubos incorporados reduzem os poros finos da matriz cimentícia e, consequentemente, auxiliam em uma melhor durabilidade e resistência ao ataque químico (COLEN; SOARES; BRITO, 2013).

Alguns autores, como Lv et al. (2014), Faria et al. (2017), He et al. (2018) e Long et al. (2018) incorporaram óxido de grafeno em argamassa com o objetivo de melhorar as propriedades físicas, mecânicas e morfológicas. Segundo He et al. (2018), a incorporação de óxido de grafeno em argamassa nas proporções de 1% e 0,5% aumentou a resistência à compressão em 7,7% e 10,8%, respectivamente.

Os nanomateriais possuem um custo elevado, o que limita sua utilização em larga escala. Mas, mesmo que sejam aplicados em baixa dosagem, contribuem com aumento da durabilidade dos materiais à base de cimento (LE; DU; PANG, 2014), reduzindo a manutenção ao longo da vida útil e minimizando o custo do ciclo de vida da infraestrutura. Com isso, a introdução de nanomateriais na indústria da construção civil auxilia na redução dos impactos das atividades industriais sobre o meio ambiente.

Assim, este trabalho, por meio da incorporação de óxido de grafeno em argamassa de revestimento, teve por objetivo a melhoria de propriedades mecânicas, visando à redução de patologias na construção civil, e diminuindo a necessidade de intervenções nas edificações e a quantidade de resíduos no ambiente.

Metodologia

Obtenção e caracterização dos materiais

Óxido de grafeno

O óxido de grafite foi preparado de acordo com a metodologia de Hummers e Offeman (1958), modificada por Yang et al. (2013). Misturou-se 1 g de grafite em pó (Sigma-Aldrich 99,9% de pureza e <20µm) com 60 g de cloreto de sódio P.A. (A.C.S.) em um béquer. A mistura foi macerada em um almofariz até completa homogeneização. Transferiu-se o material para um béquer e adicionou-se 1 L de água deionizada. Filtrou-se o cloreto de sódio dissociado na água por meio de filtração a vácuo. Levou-se o material à estufa a 90 ºC e após secagem dissolveu-se em 23 mL de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4 98%) (A.C.S.) em agitador marca ATECMED por 8 h. Adicionou-se 3 g de permanganato de potássio 98% (Tecnal), em banho termostatizado com temperatura inferior a 20 ºC. Aumentou-se a temperatura para 40 ºC, sob agitação por 30 min e 70 ºC por 45 min. Adicionou-se 3 mL de água deionizada e aqueceu-se a mistura a 105 ºC por 5 min duas vezes. Adicionou-se mais 40 mL de água deionizada com temperatura mantida a 100 ºC durante 15 min. Finalizou-se a reação adicionando 140 mL de água deionizada e 10 mL de solução de H2O2 30%. Centrifugou-se o material utilizando centrífuga da marca EVLAB, descartando o sobrenadante. Realizou-se a lavagem do sólido precipitado duas vezes com ácido clorídrico (HCl 5%) e, em seguida, três vezes com água deionizada.

Após o processo oxidativo, as amostras foram exfoliadas com o uso de um ultrassom de ponteira (HIELSCHER, UP400St) em modo pulsado com potência de 100 W, amplitude de 100%, durante 30 min, para a obtenção do óxido de grafeno.

Em seguida, a amostra foi liofilizada e, para isso, a solução foi centrifugada (THERMO SCIENTIFIC - SORVALL LEGEND XTR) a 3.000 rpm durante 40 min, o sobrenadante foi removido e o precipitado foi congelado em nitrogênio líquido e liofilizado por 24 h em liofilizador de bancada (MARTINCHRIST - Alpha 1-2 LD Plus).

Após a obtenção do óxido de grafeno, este foi caracterizado por meio das técnicas de Difração de Raios X (DRX), em equipamento Bruker D8 Advance, com fonte de radiação de Cu Kα (λ = 0,1542 nm), tensão de 40 kV, corrente de 30 mA, velocidade de 2º/min e ângulo de incidência de 2Ө entre 5º e 40º. Para identificação das fases, os dados obtidos foram comparados à ficha 25-0284 do banco de dados ICDD (International Center for Diffraction Data). Para a microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), equipamento QUANTA 250 da marca FEI, as amostras foram preparadas pela deposição do material em uma fita de carbono, e metalizadas com ouro, e espectroscopia RAMAN, com laser de 532 nm em varredura de 2 m/V utilizando equipamento Bruker, modelo Senterra.

Cimento Portland

Foi utilizado o cimento Portland de uso geral (OPC) Tipo II 32- E.

Agregado miúdo

Como agregado miúdo utilizou-se a areia, conforme C778-13 (AMERICAN..., 2013a). Este foi caracterizado quanto à densidade de massa específica e densidade de massa aparente, conforme C136/C136M-14 (AMERICAN..., 2006). Empregou-se o mesmo agregado para todas as misturas.

Confecção e caracterização dos corpos de prova

O traço unitário empregado nas argamassas modificadas e na argamassa de referência foi de 1:3 (cimento: areia), conforme o item X 4.2 da norma C270 (AMERICANA..., 2014). Utilizou-se 0,4% de superplastificante à base de policarboxilato, em relação ao peso do cimento e relação água-cimento de 0,48, conforme Tabela 1.

Tabela 1 Composição da argamassa de referência e a argamassa modificada 

Tipo da argamassa Cimento (g) Água (g) Areia (g) Aditivo superplastificante (%) Óxido de grafeno (%) Óxido de grafeno (g)
Referência 625,0 300,0 1.875,0 0,4 0 0
Modificada A 625,0 300,0 1.875,0 0,4 0,04 0,25
Modificada B 625,0 300,0 1.875,0 0,4 0,1 0,62

Foram preparadas duas argamassas modificadas, a primeira com um teor de adição 0,04% do volume de cimento de óxido de grafeno, denominada de argamassa modificada A, e a segunda com um teor de 0,1% do volume de cimento de óxido de grafeno, denominada de argamassa modificada B. A mistura das argamassas foi realizada conforme a norma C305-14 (AMERICAN..., 2013b) e a mistura dos nanomateriais na pasta foi por dispersão mecânica, direto na mistura seca da argamassa (areia + cimento).

Depois de preparadas as argamassas, os corpos de provas foram moldados conforme as normativas para cada ensaio e caracterizados de acordo com os ensaios de índice de consistência (AMERICAN..., 2015a, 2013c); retenção de água (AMERICAN..., 2016); determinação da densidade de massa; determinação da densidade de massa teórica sem vazios e teor de ar incorporado (AMERICAN..., 2015b). Após 28 dias, no estado endurecido, foram realizados os testes de determinação da resistência à tração na flexão e à compressão axial (AMERICAN..., 2008a, 2008b), em equipamento DL 30000-EMIC, com taxa de carregamento de 50 N/s durante o teste de tração na flexão, e 500 N/s no teste de resistência à compressão; determinação da densidade de massa aparente no estado endurecido (AMERICAN..., 2017); coeficiente de capilaridade (AMERICAN..., 2015a); e determinação da resistência de aderência à tração de revestimento de paredes e pisos (ABNT, 2010). A partir dos resultados advindos dos ensaios acima foi realizada a análise de variância no intuito de verificar se existiam diferenças significativas entre as médias das argamassas de referência, modificadas A e B, para isso empregou-se o teste de Tukey ao nível de significância de 5%.

Os corpos de prova resultantes dos ensaios de compressão axial foram analisados quanto à morfologia em equipamento QUANTA 250 da marca FEI.

Resultados e discussões

A Figura 1 apresenta a análise de DRX obtida para o óxido de grafeno comparada ao padrão ICC 25-0284. Os valores da análise de DRX apresentam os picos do OG. Para OG é mostrado um pico de 2θ = 10,98° que confirma ser óxido de grafeno quando comparado com resultados obtidos de 11,98° e 10,59° por Castro et al. (2018). O valor encontrado pode ser utilizado para determinar a distância interplanar que corresponde a 0,9 nm quando o pico se encontra na faixa de 10° (STOBINSKI et al., 2014).

Figura 1 Análise DRX do óxido de grafeno  

O pico observado na análise de DRX apresenta variações conforme a quantidade de KMnO4 (permanganato de potássio) utilizado para realizar a oxidação. Com uma variação de 1 g a 6 g do agente oxidante, observou-se picos variando entre 2θ = 26,15° (1 g de KMnO4) e 2θ = 10,12° (6 g de KMnO4) para OG, sendo uma relação inversamente proporcional à quantidade do KMnO4 utilizado. Para a amostra oxidada com 3 g de KMnO4, o pico de 2θ = 11,74° é apresentado (KRISHNAMOORTHY et al., 2013), comprovando que a oxidação foi efetiva, o que o torna um material que, quando incorporado em matriz cimentícia, tem por objetivo o aumento da resistência (LONG et al., 2018).

A espectroscopia Raman, Figura 2, é uma ferramenta utilizada com o objetivo de realizar a elucidação estrutural de materiais carbônicos, tais como grafite e diamante (KRISHNAMOORTHY et al., 2013), e pode ser utilizada também para caracterização do óxido de grafeno. O espectro do OG analisado, conforme Figura 2, possui uma banda D de maior intensidade localizada em 1.323 cm-1 e uma banda G de menor intensidade em 1.584 cm-1. A razão entre as intensidades da banda D e G é de ID/IG = 1,07. A literatura apresenta o mesmo perfil de intensidade para cada banda e valores de deslocamento Raman de 1.331 cm-1 para banda D, 1.591 cm-1 para banda G e ID/IG = 1,04 (CASTRO et al., 2018).

Figura 2 Raman do óxido de grafeno  

A banda G está relacionada à vibração dos átomos de carbono (FARIA et al., 2017; CASTRO et al., 2018). A banda D corresponde a defeitos estruturais do material devido à oxidação. O processo de oxidação para obtenção do OG trabalha com grupos oxigenados, que causam defeitos estruturais no material, fazendo com que a intensidade da banda D aumente. Essa mudança pode ser comprovada pela diferença entre o grafite e o OG, pois a banda D tem menor intensidade que a banda G quando o grafite ainda não passou pelo processo de oxidação. Com o processo, a intensidade da banda D passa a ser maior que a da banda G (WANG et al., 2008).

A razão entre as intensidades das bandas também pode ser utilizada para identificar os defeitos na estrutura do material. Quando o valor calculado é menor que um, a banda G tem maior intensidade que a banda D. Quando o valor calculado é maior que um, a banda D tem maior intensidade que a banda G, comprovando a oxidação e a presença de grupos oxigenados na estrutura (MUNIR et al., 2015; CASTRO et al., 2018), que quando incorporado a uma matriz tem por objetivo o reforço da estrutura do material, assim como Long et al. (2018) verificaram.

Na Figura 3a e 3b tem-se as imagens de grafite e óxido de grafeno, respectivamente. É possível observar a presença das folhas do OG na Figura 3b, quando analisada operando a 20 kV. Assim, tem-se um indicativo do processo de oxidação do material, uma vez que há uma rugosidade oriunda do aumento no espaçamento entre as folhas, conforme observado na imagem.

Figura 3 Morfologia  

Em relação às propriedades físicas do cimento Portland utilizado, os valores obtidos foram de 3,06 g/cm3, 2,21 g/cm3 e 6% em relação à massa específica, massa unitária e teor de pozolana, respectivamente.

De acordo com as características físicas obtidas para o agregado miúdo, conforme Tabela 2, os valores estão de acordo com o recomendado para a utilização em uma argamassa de revestimento, com uma absorção de 0,24%, índice de volume de vazios de 43,7%. Batiston (2012) encontrou valores próximos.

Tabela 2 Características do agregado miúdo 

Massa específica aparente seca (g/cm³) Massa específica (g/cm³) Massa específica (g/cm³) Absorção Massa Unitária (g/cm³) Índice de volume de vazios (%)
2,631 2,636 2,646 0,24 1,489 43,7

A composição granulométrica, conforme Figura 4, apresenta qual porcentagem do agregado miúdo está em uma granulometria de 9,5 mm a 0,15 mm, característica para a composição utilizada em argamassa de revestimento.

Figura 4 Composição granulométrica do agregado miúdo  

Após a realização dos testes do agregado miúdo, foram preparadas as amostras das argamassas para os ensaios físicos e mecânicos. De posse dos resultados, realizou-se a análise de variância com o emprego do teste de Tukey para verificar se existiam diferenças significativas entre as argamassas. As Tabelas 3 e 4 apresentam esses resultados.

Tabela 3 Médias e desvios padrões dos ensaios físicos realizados nas argamassas 

Ensaios Argamassas
Referência Modificada A Modificada B
Índice de consistência (mm) 246,00b±0,58 275,00ª±0,57 275,00ª±0,56
Retenção de água (%) 99,40ª±0,06 98,30b±0,05 98,30b±0,06
Densidade de massa (kg/m³) 1893,00ª±0,58 1817,00b±0,59 1818,00b±0,57
Densidade da massa teórica da argamassa (dt), sem vazios (kg/m³) 2309,00ª±0,58 2309,00ª±0,58 2309,00ª±0,67
Teor de ar incorporado (%) 18,10b±0,01 21,30ª±0,02 21,30ª±0,02
Determinação da densidade de massa aparente no estado endurecido (kg/m³) 1632,00b±4,16 1787,00ª±13,58 1795,00ª±7,80
Determinação da absorção de água por capilaridade (g/cm²) 10 min 0,04c±0,00 0,07b±0,00 0,18ª±0,00
Determinação da absorção de água por capilaridade (g/cm²) 90 min 0,14ª±0,01 0,16ª±0,01 0,08b±0,01
Coeficiente de capilaridade (g/dm². min.½) 1,43ª±0,03 1,43ª±0,12 1,57ª±0,07

Nota: sobrescritos iguais na mesma linha, para a mesma variável resposta, indicam médias sem diferença estatisticamente significativa com 5% no Teste de Tukey.

Tabela 4 Médias e desvios padrões dos ensaios mecânicos realizados nas argamassas 

Ensaios Argamassas
Referência Modificada A Modificada B
Resistência à tração na flexão (Mpa) 4,73ª±0,09 4,60ª±0,06 3,60b±0,06
Resistência à compressão axial (Mpa) 18,90b±0,20 19,67b±0,15 23,50ª±0,40
Resistência potencial de aderência à tração (Mpa) 1,10ª±0,03 1,13ª±0,08 1,14ª±0,08

Nota: sobrescritos iguais na mesma linha, para a mesma variável resposta, indicam médias sem diferença estatisticamente significativa com 5% no Teste de Tukey.

Em relação à fluidez da pasta de cimento, foi realizado o ensaio de índice de consistência na argamassa de referência, argamassa modificada A e argamassa modificada B. Pelos resultados apresentados na Tabela 3, é possível verificar que não houve diferenças significativas entre as argamassas acrescidas de óxido de grafeno, mas diferiram da amostra referência. As argamassas modificadas tiveram um aumento na sua fluidez de 11,38%, conforme Figura 5a. Pode-se dizer que a superfície específica das nanopartículas do OG e os grupos funcionais com oxigênio não promoveram uma absorção de água livre nos estágios iniciais da argamassa. Isso pode ter acontecido pelo fato de o óxido de grafeno ter uma elevada superfície e com a complementação da incorporação do aditivo policarboxilato houve a entrada de água quando misturado ao óxido de grafeno, promovendo aumento da trabalhabilidade dos materiais (BATISTON, 2012).

Figura 5 Resultado dos ensaios  

Em relação ao teste de retenção de água, verificou-se que as argamassas modificadas não diferem entre si ao nível de significância de 5%, mas diferem da argamassa referência e tiveram 1,10% menor retenção de água em relação à argamassa de referência, conforme Figura 5b.

Devido à grande superfície de área dos nanomateriais, há maior necessidade de água para molhar a superfície desses materiais. Dessa forma, os nanomateriais podem promover uma redução do teor de água (CHUAH et al., 2014). Isso pode estar relacionado com a redução dos poros abertos na matriz cimentícia, resultando na dificuldade de penetração da água, assim como Du e Pang (2015) também verificaram por meio da adição de nanopartículas de grafeno.

Com a redução dos poros na matriz cimentícia, pode-se dizer que a adição de OG em compósitos cimentícios promovem melhoria em relação à resistência a elementos agressivos, pois a conexão entre a matriz cimentícia com o óxido de grafeno permite a criação de uma barreira e, consequentemente, a redução da penetração de agentes agressivos nos compósitos (FARIA et al., 2017).

A Figura 6a e 6b apresenta os resultados obtidos para as argamassas modificadas e de referência no estado fresco. Pelos dados apresentados na Tabela 3 é possível verificar que não houve diferenças significativas entre as argamassas modificadas, mas sim destas em relação à argamassa de referência em relação à densidade de massa. Já em relação à densidade de massa teórica, não houve diferenças significativas entre nenhuma das três amostras. Isso mostra que as nanopartículas não interferiram nesses parâmetros.

Figura 6 Resultado dos ensaios  

Em relação ao teor de ar incorporado, verificou-se que houve um aumento de aproximadamente 18%, tanto na argamassa A quanto na argamassa B, em relação à argamassa modificada, conforme Figura 6c. Nota-se que o aumento do teor de óxido de grafeno não influenciou no aumento do teor de ar incorporado. Pode-se dizer que com a adição de OG, a porosidade aberta tende a aumentar, aumentando assim o teor de ar incorporado (FARIA et al., 2017), e quando exposto às regiões úmidas torna a argamassa mais resistente à penetração, reduzindo possíveis problemas patológicos (MOHAMMED et al., 2015).

No teste densidade de massa aparente no estado endurecido, verificou-se aumento de 9,49% e 9,98% da argamassa A e B, respectivamente, em comparação com a argamassa de referência, conforme Figura 6d, valor este corroborado pelo teste de Tukey, que mostrou não haver diferença significativa entre as modificadas e sim destas em relação à amostra referência. O resultado obtido é satisfatório, e comprova que o OG adicionado tem função de diminuir a porosidade do material, pelo fato de atuar como um aglutinante estrutural, segundo Silva et al. (2017).

Em relação ao coeficiente de capilaridade, notou-se que a argamassa A obteve menor coeficiente, e a argamassa B obteve maior coeficiente, quando comparadas com a argamassa de referência, conforme Figura 6e. Mas mesmo apresentando essa pequena diferença, o teste de Tukey mostrou, pela Tabela 3, que não houve diferenças significativas entre as amostras. A adição de óxido de grafeno pode ter promovido o refinamento dos poros, transformando-os de macroporos em microporos, assim como Marcondes (2012) também verificou, comprovando a efetividade da adição de OG em argamassa de revestimento. Conforme se aumentou o teor de OG, promoveu-se o aumento de monocamadas de materiais.

Com o intuito de analisar a influência do óxido de grafeno nas propriedades mecânicas da argamassa, foram realizados os teste de tração na flexão e logo após o teste de compressão axial.

Quanto ao teste de resistência à tração na flexão, a argamassa de referência teve melhor resultado, conforme Figura 7a, que não apresentou diferença significativa da argamassa modificada A, conforme dados apresentados na Tabela 4. As argamassas modificadas A e B tiveram uma redução na resistência à tração de 6,12% e 26,53%, respectivamente. Mesmo com a redução, os resultados obtidos estão dentro da normativa. Pode-se dizer que há uma tendência decrescente de resistência à flexão ou efeito insignificante da adição de óxido de grafeno em compósito cimentício (DU; PANG, 2015). No caso, a adição de OG foi decrescente, assim como Batiston (2012) e Faria et al. (2017) também verificaram. Isso pode ser explicado devido à difícil dispersão do óxido de grafeno em matriz cimentícia, pois quanto maior a quantidade adicionada, mais difícil a dispersão (BATISTON, 2012).

Figura 7 Resultado dos ensaios  

Com relação à resistência à compressão axial, conforme Figura 7b, pode-se verificar que houve um aumento conforme o aumento da quantidade de óxido de grafeno, corroborado pelo teste de Tukey apresentado na Tabela 4. Isso indica que a adição de óxido de grafeno em argamassa favoreceu no processo de hidratação e pôde preencher os poros da matriz cimentícia, o que é comprovado pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura, Figura 9, melhorando dessa forma essa propriedade mecânica da argamassa, assim como He et al. (2018) também verificaram. Além disso, há reações interfaciais dos grupos de ácidos carboxílicos de folhas OG e CSH ou Ca (OH)2 grupos da matriz de cimento. Essa reação cria uma ligação covalente na interface entre o OG e a matriz cimentícia, promovendo uma transferência de carga para o óxido de grafeno (SILVA et al., 2017).

Figura 8 Interação entre a resistência à tração e a resistência à compressão axial  

Figura 9 Microscopia eletrônica de varredura das argamassas  

As argamassas modificadas tiveram melhor resultado e enquanto a argamassa A teve um aumento de 3,7% em relação à argamassa de referência, a argamassa B teve aumento de 24,3%. Esse resultado contrapõe resultados de alguns pesquisadores, como Faria et al. (2017) e Ghazizadeh et al. (2018), que constataram melhores resultados de argamassa com adição de óxido de grafeno em baixas dosagens de OG, entre 0,03% a 0,05%.

Em relação ao comportamento mecânico, além do teste de resistência à flexão e à compressão axial, realizou-se o teste de determinação do potencial de aderência à tração. Nesse teste, verificou-se que a argamassa de referência obteve melhor resultado, comparado às argamassas A e B, conforme Figura 7c, mas não apresentaram diferenças significativas entre as médias. A argamassa A teve uma redução de 0,87% e a argamassa B teve uma redução de 2,63%, em relação à argamassa de referência. A Figura 8 apresenta a relação entre a resistência à tração na flexão e a resistência à compressão axial.

Pela Figura 8 é possível confirmar os resultados apresentados anteriormente, ou seja, à medida que se adiciona o óxido de grafeno na argamassa, há um aumento significativo na resistência à compressão e uma diminuição significativa na resistência à tração na flexão. Isso pode estar relacionado com a dispersão dos nanomateriais e com o fator a/c da pasta cimentícia. Segundo Moraes et al. (2018), a aglomeração dos nanomateriais pode reduzir a eficiência do reforço e a incorporação dos nanomateriais promove a redução do teor de água, diminuindo a redução da resistência à flexão, caso não seja aumentada a quantidade de água.

Pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura obtidas para as argamassas de referência e argamassas A e B, com ampliações de 5.000x e operando a 15 kV, 10 kV e 15 kV respectivamente, sugere-se que as nanopartículas de OG podem promover a formação de cristais devido às reações de hidratação do cimento, conforme observado por Lv et al. (2014). As Figuras 9a, 9b e 9c comprovam isso.

É possível observar a zona interfacial entre o OG e a argamassa na Figura 9c. Nota-se uma camada de OG na argamassa, o que segundo He et al. (2018) essa camada pode desempenhar uma redução da retenção de umidade na argamassa. Além disso, segundo Long et al. (2018), o OG pode formar ligações covalentes com a argamassa, melhorando a ligação interfacial e proporcional aumento nas propriedades mecânicas, conforme verificado na Figura 9b e 9c.

A superfície apresenta aspecto regular quando se compara a adição de óxido de grafeno à argamassa A. Já na argamassa B, a superfície apresenta um aspecto irregular e com aumento da quantidade de poros, isso pode ter sido causado pela má dispersão do óxido quando adicionado diretamente no cimento, diminuindo a resistência à flexão, conforme verificado no resultado do teste de resistência à flexão da Tabela 4.

Corroborando a quantidade em gramas do óxido de grafeno determinada para as argamassas modificadas, a Figura 10 apresenta a função desejabilidade em relação à resistência à compreensão axial e à resistência à tração na flexão.

Figura 10 Função desejabilidade e óxido de grafeno na mistura das argamassas  

Relacionando a quantidade de óxido de grafeno (0,00 g; 0,25 g e 0,62 g) adicionada às argamassas modificadas com as variáveis de resistência à tração na flexão, cujo intuito é diminuir quando na adição do óxido de grafeno e a resistência à compressão axial, cuja finalidade é aumentar com a adição do óxido de grafeno, é possível verificar na Figura 10 que a quantidade ótima do óxido de grafeno é dada com 0,1%. Com essa quantidade, existe uma função otimizada equivalente a 82,43% que sinaliza ser essa a quantidade de óxido de grafeno mais indicada para ser adicionada à argamassa, mesmo quando as três argamassas estudadas tiveram a ruptura na argamassa e se classificaram na Classe A3, segundo a NBR 15258 (ABNT, 2005), atendendo, portanto, aos parâmetros para comercialização.

Em relação aos resultados mecânicos das argamassas modificadas, verifica-se na Tabela 5 que com um método de dispersão, como, por exemplo, ultrasonificação ou sonificação, pode haver melhoria nos resultados em relação à incorporação direta na pasta de cimento.

Tabela 5 Propriedades mecânicas de compósitos cimentícios com nanomateriais à base de carbono 

Matriz Nanomaterial (ac%) Método de dispersão Resultados (comparados com um compósito de referência)
Pasta cimentícia OG (0,04/0,06) Sonificação Resistência à flexão: 67% (com 0,04%)
Resistência à compressão: 59% (com 0,06%)
Pasta cimentícia OG (0,08) Sonificação com sílica e centrifugação Resistência à flexão: 30%
Resistência à compressão: 12%
Pasta cimentícia OG (0,05) Ultrasonificação Resistência à compressão: 19%
Argamassa OG (0,05) Já disperso Resistência à flexão: 71%
Resistência à compressão: 24%
Argamassa OG (0,4) Sonificação e deposição eletroforética Resistência à flexão: 6%
Resistência à compressão: 5%
Argamassa OG (0,03) Ultrasonificação Resistência à flexão: 78,6%
Argamassa OG (2,0) Ultrasonificação Resistência à flexão: 24%

Fonte: adaptado de Faria et al. (2017).

Faria et al. (2017) realizaram um estudo comparativo em diferentes proporções de óxido de grafeno, sendo que em uma amostra houve a dispersão aquosa e em outra amostra a inserção do OG foi direta nos agregados secos da argamassa. Os melhores resultados foram nas amostras com dispersão do óxido. Porém, ambas as argamassas tiveram resultados favoráveis para sua utilização e aplicação na construção civil.

Conclusão

Com base nos resultados obtidos, é possível verificar que a adição de óxido de grafeno no teor de 0,04% e 0,1% interferiram nas características da argamassa de revestimento, tais como: fluidez; densidade de massa; teor de ar incorporado; determinação da densidade de massa aparente no estado endurecido; e coeficiente de capilaridade. Pelo fato de não serem significativas nos resultados, não há interferência na qualidade da argamassa final.

Quanto aos ensaios mecânicos, constatou-se que as argamassas modificadas tiveram maior influência na resistência à compressão quando comparadas com a argamassa de referência. A argamassa B, com maior quantidade de óxido de grafeno, obteve melhor resultado na resistência à compressão axial. Em relação ao teste de determinação do potencial de aderência à tração, a argamassa de referência obteve melhor resultado, porém as argamassas modificadas com óxido de grafeno também atendem às exigências da norma, e dentre as quantidades de óxido de grafeno adicionadas às argamassas modificadas, a função desejabilidade comprovou com 82,43% de otimização que 0,62 g é a quantidade ideal do óxido de grafeno para ser incorporada à argamassa.

Por meio das análises de superfície, nota-se a interação da argamassa com as nanopartículas de OG, contribuindo com a ligações interfaciais na pasta cimentícia e proporcionando melhorias nas propriedades mecânicas.

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Recebido: 08 de Janeiro de 2019; Aceito: 07 de Julho de 2019

Marla Corso Mestre em Tecnologias Limpas | UniCesumar | Doutoranda em Gestão Ambiental | Universidade Positivo | Rodovia BR 158, Km 207 | CEP 87309-650 | Campo Mourão - PR - Brasil | Tel.: (44) 3518-2500 | E-mail: marlacorso@hotmail.com

Lilian Keylla Berto Mestranda do Programa de Mestrado em Tecnologias Limpas | UniCesumar | Avenida Guedner, 1610, Jardim Aclimação | Maringá - PR - Brasil | CEP 87020-900 | Maringá - PR - Brasil | Tel.: (44) 3027-6360 | E-mail: lilianberto_engenharia@hotmail.com

Ana Carolina Dias de Albuquerque Mestranda do Programa de Mestrado em Tecnologias Limpas | UniCesumar | E-mail: acdalbuquerque@hotmail.com

Jean Halison de Oliveira Pesquisador do Programa de Pós Graduação em Química | Universidade Estadual de Maringá | Avenida Colombo, 5790, Bloco 15 | Maringá - PR - Brasil | CEP 87020-270 | Tel.: (44) 3011-4040 | E-mail: jean.halison@gmail.com

Silvia Luciana Favaro Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica | Universidade Estadual de Maringá | Tel.: (44) 3011-4197 | E-mail: slfavaro@hotmail.com

Luciana Cristina Soto Herek Rezende Programa de Mestrado em Tecnologias Limpas | UniCesumar | Pesquisadora | Instituto Cesumar de Ciência, Tecnologia e Inovação | Avenida Guedner, 1610, Jardim Aclimação | Maringá - PR - Brasil | CEP 87020-900 | Tel.: (44) 3027-6360 | E-mail: luciana.rezende@unicesumar.edu.br

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