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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
A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
Constituintes da argamassa
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Argamassa
Assentamento
Regularização
ReparaçãoJuntas
Revestimento
A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
Aplicações da argamassa
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A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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FUNÇÕES:‐ Protecção das paredes;‐ Impermeabilização e resistência à água;‐ Acabamento das paredes;‐ Durabilidade para acções correntes de
manutenção.
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
Nanomateriais de aplicação corrente em argamassas
Nano‐material
Nanopartículasdióxido de titânio
Nanopartículasde sílica
OutrosNanotubos de carbono
Aerogel de sílica
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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1 < d < 2 mm0,063 < d < 1 mmd < 0,063 mm1 < d < 2 mm0,063 < d < 1 mmd < 0,063 mm
A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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1 a 10% massa do cimento
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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
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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
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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)
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Cassar (2004)
Cassar (2004)
5 a 10% massa do cimento
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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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 ▲
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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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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A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
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
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Estudo de mestradoEstudo experimental em produtos hidrófugos
de superfícieCarlos Esteves
Orientadoras: Profª. Inês Flores‐ColenDrª. Rosário Veiga
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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).
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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
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Projecto de investigação
NANORENDER ‐ Performance of silicananoaerogel‐based renders
( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )
Investigadora responsável: Profª. Inês Flores‐Colen
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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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NANORENDER ‐ Performance of silica nanoaerogel‐based renders( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )
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Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”
NANORENDER ‐ Performance of silica nanoaerogel‐based renders( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )
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
NANORENDER ‐ Performance of silica nanoaerogel‐based renders( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )
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
A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”27
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”27
NANORENDER ‐ Performance of silica nanoaerogel‐based renders( PROJECTO FCT PTDC / ECM / 118262 / 2010 )
• 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
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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
A nanotecnologia nas argamassas de construção
Workshop: “A Nanotecnologia nos Materiais de Construção”29
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.
ines.flores.colen@ist.utl.pt
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