A nanotecnologia nas argamassas de construção

Transcrição

1 Inês Flores Colen Departamento de Engenharia Civil, Arquitetura e Georrecursos, IST/UL 27 / 02 / 2014

2 Constituintes da argamassa Argamassa: Ligante Agregados Água Adições Adjuvantes 2

3 Aplicações da argamassa Assentamento Revestimento Regularização Argamassa Juntas Reparação 3

4 Nanotecnologia associada às Descrição: emprego da ciência e tecnologia à escala nanométrica com aplicações no mundo real Soluções com benefícios técnicos, ambientais, energéticos e económicos Argamassas inovadoras de desempenho melhorado Integração de nanomateriais Manipulação de matéria à escala nanométrica (0,1 a 100 nm) APLICAÇÕES LIMITADAS POUCOS ESTUDOS DE INVESTIGAÇÃO 4

5 Argamassa de revestimento Nanomateriais ou materiais nanoestruturados FUNÇÕES: Protecção das paredes; Impermeabilização e resistência à água; Acabamento das paredes; Durabilidade para acções correntes de manutenção. Melhoria do desempenho Comportamento mecânico e físico Comportamento à água Comportamento térmico e acústico Manutenção do aspeto estético Purificação do ar envolvente 5

6 Nanomateriais de aplicação corrente em argamassas Nanopartículas dióxido de titânio Aerogel de sílica Nanomaterial Nanopartículas de sílica Nanotubos de carbono Outros 6

7 d < 0,063 mm Área superficial específica 0,063 < d < 1 mm d < 0,063 mm 1 < d < 2 mm 0,063 < d < 1 mm 1 < d < 2 mm 1 - 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

8 1 a 10% massa do cimento A nanotecnologia nas Partículas de nanosílica (Si02) Aceleram a hidratação do cimento; aumentam a actividade pozolânica Reduzem os tamanhos dos poros Melhoram a ligação entre a pasta de cimento e o agregado Aumento da resistência à compressão e a tensões de corte Redução da permeabilidade à água da argamassa 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. 8

9 Prevenção de fissuras a uma escala nanométrica Nanotubos de carbono 0.5% massa do cimento reduzem os poros finos da matriz de cimento redução dos fenómenos de capilaridade Carbon nanotubes: right schematics; left microstructure Pacheco Torgal & Jalali (2011) Aumento da resistência à flexão e à compressão melhor resistência a ataque químico melhoria na durabilidade CNT bundles crack bridging ina hydrated OPC/CNT composite Raki et al (2010) citados por Hanus & Harris (2013) 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. 9

10 5 a 10% massa do cimento Nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) Níveis estéticos adequados para a superfície Cassar (2004) auto limpeza anticondensação despoluição sensibilidade à radiação visível Incorporação de partículas mais finas de dióxido de titânio (maior eficiência) Maiores percentagens de incorporação (menor eficiência) Introdução propriedades fotocatalíticas antibacteriana Cassar (2004) carácter hidrofílico / hidrofóbico Condicionantes: Propriedades reológicas da argamassa; Custos elevados 10

11 Altamente poroso A nanotecnologia nas 60% a 90% em volume de areia Ilharco et al (2007) Forma única e tamanho reduzido dos poros ( nm) Soares et al (2012) Aerogel de sílica Baixas densidades (3 a 500 kg/m 3 ) Excelente isolamento térmico (0,01 0,02 W/m.K) Eficiência energética Isolamentos com reduzida espessura Isolamento térmico e acústico Comportamen to ao fogo Condicionantes: Resistência da argamassa; Custo Reologia das argamassas. 11

12 Influência dos nanomateriais ou materiais nanoestruturados Tipo % Trabalhabilidade e Resistência à Resistência à mistura tracção compressão Propriedades físicas Nanotubos de carbono Baixa absorção capilar Nanosilica Baixa inicial permeabilidade à água idades + avançadas líquida NanoTiO 2 Baixa n.s. inicial foto catalítica e de autolimpeza (novas propriedades) 28 dias Aerogel de sílica Alta depende do tipo de aerogel n.s. n.s. condutibilidade térmica ; secagem ; porosidade ; comportamento ao fogo ; absorção capilar 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 12 inaladas.

13 Trabalhos de investigação em curso no DECivil IST/UL (Secção de Construção) 13

14 Estudo de doutoramento Adição de nanotubos de carbono de parede múltipla Hawrin Hassan Ahmed Orientador: Prof. José Alexandre Bogas 14

15 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. 15

16 Estudo de mestrado Estudo experimental em produtos anti graffiti em argamassas Ana Rita Moura Orientadores: Profª. Inês Flores Colen Prof. Jorge de Brito 16

17 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 às radiações UV, menor penetração da tinta graffittinos poros; maior capacidade hidrofugante. Até esta data recolha dos produtos no mercado nacional e internacional 17

18 Estudo de mestrado Estudo experimental em produtos hidrófugos de superfície Carlos Esteves Orientadoras: Profª. Inês Flores Colen Drª. Rosário Veiga 18

19 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). 19

20 20

21 Absorção de água por capilaridade em Pedra SecagememPedra Absorção capilar (Kg/m2) Tempo (min 0,5 ) SH HSLX HSL HNST Água evaporada por unidade de área (Kg/m 2 ) Tempo (min 1/2 ) SH HSLX HSL HNST Absorção de água por capilaridade em Argamassa Secagem em Argamassa Absorção capilar (Kg/m2) Tempo (min 0,5 ) SH HSLX HSL HNST Água evaporada por unidade de área (Kg/m 2 ) Tempo (min 1/2 ) 21 SL HSLX HSL HNST

22 Projecto de investigação NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Investigadora responsável: Profª. Inês Flores Colen 22

23 NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Centros de investigação Bolseiros de investigação / Teses de Doutoramento António Soares Maria Júlio 23

24 NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Redução da resistência à compressão Introdução de materiais (argamassas térmicas) 24

25 NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Provetes de argamassa Desempenho no estado fresco e endurecido Ensaios físicos e mecânicos Aplicação Ensaios em argamassa aplicada em tijolo Modelo de parede Modelação numérica Consumo de energia e conforto térmico Modelos de propagação do som LCA LCC 25

26 NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Já realizado A realizar Argamassas Ensaios Argamassas Ensaios Tipo de aerogel Resistência mecânica Tipos de aerogel Reologia Percentagem de incorporação Módulo de elasticidade dinâmico Percentagem de incorporação Resistência ao fogo Método de mistura Condutibilidade térmica Ligantes Aplicação em suporte Granulometria Comportamento à água Adições / adjuvantes Modelo de parede Estrutura porosa Outros agregados Acústica Constituição química 26

27 NANORENDER Performance of silica nanoaerogel based renders ( PROJECTO FCT PTDC / ECM / / 2010 ) Alguns resultados 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. 27

28 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 28

29 Referências Cassar L. Photocatalysis of cementitous materials: clean buildings and clean air. MRS Bull 2004;29: Hanus, M. and Harris, A., Nanotechnology innovations for the construction industry, Prog. Mater Sci. 58 (7) (2013) Ilharco, L., Fidalgo, A., Farinha, J., Gaspar Martinho, J. and Rosa, M., Nanostructured silica/polymer subcritical aerogels, J. Mater. Chem. 19 (2007) Pacheco Torgal, F. and Jalali, S., Nanotechnology: Advantages and drawbacks in the field of construction and building materials, Constr. Build. Mater. 25 (2) (2011) Raki, L., Beaudoin, J., Alizadeh, R., Makar, J. and Sato, T., Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology, Materials 3 (2) (2010) 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 characteristics os mortar mixes. Relatório ICIST DTC nº 22/2012, Lisboa. Instituto Superior Técnico. 29

30 Obrigada. 27 / 02 / 2014