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A nanotecnologia nas argamassas de construção

Inês Flores‐ColenDepartamento de Engenharia Civil, Arquitetura e Georrecursos,

IST/UL27 / 02 / 2014Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”

Argamassa:• Ligante• Agregados• Água• Adições• Adjuvantes


Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”

Constituintes da argamassa

2

Argamassa

Assentamento

Regularização

ReparaçãoJuntas

Revestimento



Aplicações da argamassa

3



Descrição: emprego da ciência e tecnologia à escala nanométrica com aplicações no mundo real

APLICAÇÕES LIMITADASPOUCOS ESTUDOS DE INVESTIGAÇÃO

Manipulação de matéria à escala nanométrica (0,1 a 100 nm)

Argamassas inovadoras de desempenho melhorado

Integração de nanomateriais

Soluções com benefícios técnicos, ambientais, energéticos e económicos

Nanotecnologia associada às argamassas de construção

4

Argamassa de

revestimentoComportamento mecânico e físico

Comportamento à água

Comportamento térmico e acústico

Manutenção do aspetoestético

Purificação do ar envolvente

Nanomateriais ou materiais

nanoestruturados

Melhoria do desempenho


Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”5

FUNÇÕES:‐ Protecção das paredes;‐ Impermeabilização e resistência à água;‐ Acabamento das paredes;‐ Durabilidade para acções correntes de

manutenção.



Nanomateriais de aplicação corrente em argamassas

Nano‐material

Nanopartículasdióxido de titânio

Nanopartículasde sílica

OutrosNanotubos de carbono

Aerogel de sílica

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Área superficial específica1 - areia natural;2 - agregados finos;3 - cinzas volantes;4 - cimento portland;5 - aditivos minerais finos;6 - metacaulino;7 - sílica de fumo;8 - aerogel de sílica;9 - nanosílica;10 - sílica precipitada;11 - nanopartículas de titânio;12 - nanotubos de carbono;13 - nanoalumina;14 - nanocal;15 - nanometacaulino;16 - nanoargilas

7

1 < d < 2 mm0,063 < d < 1 mmd < 0,063 mm1 < d < 2 mm0,063 < d < 1 mmd < 0,063 mm



Partículas de nanosílica (Si02)

Condicionantes:• Trabalhabilidade e reologia das misturas produzidas;• Devido à sua elevada área superficial específica e à dispersão de nanopartículas podem

causar baixas resistências das argamassas nas idades mais avançadas;• Aumento do custo do produto final.

Aumento da resistência à compressão e a tensões de corteRedução da permeabilidade à água

da argamassa

Aceleram a hidratação do cimento; aumentam a actividade pozolânica

Reduzem os tamanhos dos

porosMelhoram a ligação entre a pasta de

cimento e o agregado

8

1 a 10% massa do cimento



Nanotubos de carbono

Condicionantes:• Dificuldade no processo de mistura (dispersão dificultada pela hidrofobicidade);• Custo elevado de produção e fornecimento deste nanomaterial; • Toxicidade, quando inaladas as nanopartículas em suspensão podem depositar‐se no

sistema respiratório.

Prevenção de fissuras a uma

escala nanométrica

Aumento da resistência à flexão e à

compressão

reduzem os poros finos da matriz de cimento

redução dos fenómenos de capilaridade

melhor resistência a ataque químico

melhoria na durabilidade

9

CNT bundles crack bridging ina hydrated OPC/CNT composite Raki et al (2010) citados por Hanus & Harris (2013)

Carbon nanotubes: right schematics; leftmicrostructure Pacheco‐Torgal & Jalali (2011)0.5% massa do cimento



Nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2)

Condicionantes:• Propriedades reológicas da argamassa;• Custos elevados

Níveis estéticos adequados para a

superfície

anti‐condensação

sensibilidade à radiação visível

carácter hidrofílico / hidrofóbico

Introdução propriedades foto‐

catalíticas

auto‐limpeza

despoluição

anti‐bacteriana

Incorporação de partículas mais finas de dióxido de titânio (maior eficiência)

Maiores percentagens de incorporação (menor eficiência)

10

Cassar (2004)

Cassar (2004)

5 a 10% massa do cimento



Altamente poroso

Forma única e tamanho reduzido dos poros (10 – 100 nm)

Baixas densidades

(3 a 500 kg/m3)

Excelente isolamento térmico (0,01 – 0,02 W/m.K)

Eficiência energética

Isolamentos com reduzida espessuraIsolamento térmico e acústico

Comportamento ao fogo

Aerogel de sílica

11

Ilharco et al (2007)

Soares et al (2012)

60% a 90% em volume de areia

Condicionantes:• Resistência da argamassa;• Custo• Reologia das argamassas.

Tipo %Trabalhabilidade e

mistura

Resistência à

tracção

Resistência à

compressãoPropriedades físicas

Nanotubos de carbono Baixa ▼ ▲ ▲ absorção capilar▼

Nanosilica Baixa ▼ ▲▲inicial

▼idades + avançadas

permeabilidade à água

líquida ▼

NanoTiO2 Baixa ▼ n.s.▲ inicial

▼28 dias

foto‐catalítica e de auto‐

limpeza (novas propriedades)

Aerogel de sílica Alta depende do tipo de

aerogel

n.s. n.s. condutibilidade térmica ▼;

secagem▲; porosidade ▲;

comportamento ao fogo ▲;

absorção capilar ▲



Influência dos nanomateriais ou materiais nanoestruturados

• A informação relativa à utilização de nanomaterias nas argamassas é ainda pouca;• Os nanomateriais afectam a trabalhabilidade das argamassas no estado fresco;• Custo inicial elevado;• Escassa informação sobre a durabilidade das argamassas e toxicidade das partículas

inaladas. 12



Trabalhos de investigação em curso no DECivil ‐ IST/UL

(Secção de Construção)

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Estudo de doutoramentoAdição de nanotubos de carbono de parede

múltiplaHawrin Hassan Ahmed

Orientador: Prof. José Alexandre Bogas

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Selecção e caracterização dos CNTs a utilizar e na optimização da melhor forma de se proceder à sua dispersão em soluções aquosas. Até ao momento foram efectuadas misturas em pastas com diferentes percentagens de adição de CNTs, para as quais se pretende avaliar o seu desempenho reológico e mecânico.

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Estudo de mestradoEstudo experimental em produtos anti‐graffiti

em argamassasAna Rita Moura

Orientadores: Profª. Inês Flores‐ColenProf. Jorge de Brito



Os produtos anti‐graffiti proporcionam uma superfície hidrófuga e oleófuga de modo a facilitarem a limpeza dos graffiti. Pretende‐se estudar a eficácia de vários produtos, incluindo um à base de nanopartículas de sílica, aplicados a argamassas, com e sem pintura, e pedra calcária.

Espera‐se maior resistência àsradiações UV, menor penetraçãoda tinta graffitti nos poros; maior capacidade hidrofugante.

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Até esta data – recolha dos produtos no mercado nacional e internacional



Estudo de mestradoEstudo experimental em produtos hidrófugos

de superfícieCarlos Esteves

Orientadoras: Profª. Inês Flores‐ColenDrª. Rosário Veiga



Objectivo estudar a influência de três produtos hidrófugos três diferentes tipos de suporte (pedra, argamassa e ETICS) em dois estados de alteração e três produtos hidrófugos: um à base de uma emulsão nanoestruturada de moléculas à base de silício e titânio (HNST), um siloxano/silano (HSLX) e um silicone (HSL).



0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 20 40 60 80

Abs

orçã

o ca

pila

r (K

g/m

2)

Tempo (min0,5 )

Absorção de água por capilaridade em Pedra

SH

HSLX

HSL

HNST0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 20 40 60 80 100

Águ

a ev

apor

ada

por

unid

ade

de

área

(Kg/

m2 )

Tempo (min1/2)

Secagem em Pedra

SH

HSLX

HSL

HNST

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 20 40 60 80 100 120

Águ

a ev

apor

ada

por

unid

ade

de

área

(Kg/

m2 )

Tempo (min1/2)

Secagem em Argamassa

SL

HSLX

HSL

HNST0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0 20 40 60 80 100

Abs

orçã

o ca

pila

r (K

g/m

2)

Tempo (min0,5)

Absorção de água por capilaridade em Argamassa

SH

HSLX

HSL

HNST



Projecto de investigação

NANORENDER ‐ Performance of silicananoaerogel‐based renders

( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )

Investigadora responsável: Profª. Inês Flores‐Colen



NANORENDER ‐ Performance of silica nanoaerogel‐based renders( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )

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Centros de investigação

Bolseiros de investigação / Teses de Doutoramento António Soares Maria Júlio

Redução da resistência à compressão

Introdução de materiais

(argamassas térmicas)




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Provetes de

argamassa

Provetes de

argamassa

• Desempenho no estado fresco e endurecido

• Ensaios físicos e mecânicos

AplicaçãoAplicação• Ensaios em argamassa aplicada em tijolo

• Modelo de parede

Modelação numéricaModelação numérica

• Consumo de energia e conforto térmico• Modelos de propagação do som• LCA• LCC

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Argamassas

Tipo de aerogel

Percentagem de incorporação

Método de mistura

Granulometria

Ensaios

Resistência mecânica

Módulo de elasticidade dinâmico

Condutibilidade térmica

Comportamento à água

Estrutura porosa

Constituição química


Argamassas

Tipos de aerogel

Percentagem de incorporação

Ligantes

Adições / adjuvantes

Outros agregados

Ensaios

Reologia

Resistência ao fogo

Aplicação em suporte

Modelo de parede

Acústica

Já realizado A realizar





• Argamassas térmicas com percentagens de incorporação de 60% (volume);

• Influência do tipo de aerogel / reologia da argamassa / método de mistura;

• Resistência à compressão até 5 MPa;• Alteração da microestrutura da argamassa.

Alguns resultados



Conclusões:

A nanotecnologia poderá ser uma importante ferramenta na inovação das argamassas, mas ainda existem aspectos que carecem maior investigação para a formulação de produtos sustentáveis, com desempenho melhorado mas com custos competitivos no mercado e com adequado controlo dos riscos humanos.

> Colaboração entre as universidades e a indústria



Cassar L. Photocatalysis of cementitous materials: clean buildings and clean air. MRS Bull 2004;29:328–31.

Hanus, M. and Harris, A., ‘Nanotechnology innovations for the construction industry’, Prog. Mater Sci. 58 (7) (2013) 1056‐1102.

Ilharco, L., Fidalgo, A., Farinha, J., Gaspar Martinho, J. and Rosa, M., ‘Nanostructuredsilica/polymer subcritical aerogels’, J. Mater. Chem. 19 (2007) 2195‐2198.

Pacheco‐Torgal, F. and Jalali, S., ‘Nanotechnology: Advantages and drawbacks in the field of construction and building materials’, Constr. Build. Mater. 25 (2) (2011) 582‐590.

Raki, L., Beaudoin, J., Alizadeh, R., Makar, J. and Sato, T., ‘Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology’, Materials 3 (2) (2010) 918‐942.

Soares, A.; Feiteira, J.; Flores‐Colen, I.; Gomes, M. G.; Brito, J. de (2012) ‐ “NANORENDER ‐Performance of silica nanoaerogel‐based renders ‐ Preliminary results of termal characteristicsos mortar mixes”. Relatório ICIST DTC nº 22/2012, Lisboa. Instituto Superior Técnico.

Referências

27 / 02 / 2014Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”

Obrigada.

[email protected]

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