Self-Sensing Concrete - A nanotecnologia aplicada ao concreto

Olá pessoal, sejam bem-vindos a mais uma publicação no BOLG da URBON.

Para coroar um ano muiiito produtivo, escolhemos o último dia do ano para nossa publicação, portanto, antes de mais nada desejamos um feliz ano novo para vocês e que em 2022 você possa continuar crescendo como profissional, acadêmico e como pessoa !!

Sem perder mais tempo, vamos direto ao que interessa. Você já ouviu o termo SMART CONCRETES?

Existe uma família de "concretos inteligentes", cada um com propriedades pensadas especificamente para um determinado uso. Mas não se engane, essa produção não é nada elementar, conseguir manipular as propriedades do concreto exige um estudo avançado em determinadas áreas e muita mais muita pesquisa.

Para entender isso, precisamos falar um pouco de um universo onde as coisas acontecem de maneira totalmente diferente, o mundo NANO. 

Definição de Nanotecnologia

Os materiais que usualmente trabalhamos e conhecemos em escala natural já possuem propriedades bem definidas e conhecidas por todos, mas, quando levamos esses mesmos materiais para a escala nanométrica percebemos que as nanopartículas se comportam de maneiras diferentes, com propriedades e características diferentes dos mesmo material  na macro escala.

Veja, se pegarmos um pedaço de ouro teremos suas propriedades que todos já conhecemos, mas se dividirmos esse mesmo ouro em nanopartículas, suas propriedades serão outras totalmente diferentes.

Milhares de cientistas pesquisam massivamente o campo da nanotecnologia, suas aplicações são inúmeras, e essa campo é atualizado quase que diariamente como novas descobertas e novos materiais.

Grandes áreas de aplicação da atualidade

Na figura acima, vimos que existem 3 grandes áreas com muito investimento em pesquisa e desenvolvimento na atualidade (energia, saúde e materiais). No nosso bate papo de hoje vamos entrar um pouco na área de Nanomateriais Cimentícios.

Grupo de "Smart Concretes"

Os nanocompósitos autodetectáveis (self-sensing) vêm ganhando notoriedade na pesquisa e desenvolvimento na área de nanomateriais na última década. 

As aplicações e benefícios no ramo da engenharia civil são vastas, conseguindo aumentar a vida útil das estruturas através de sua capacidade de automonitoramento. Destaca-se como os principais nanomateriais em estudo atualmente os nanotubos (CNTs) e as nanofibras de carbono (CNFs) por suas consideráveis propriedades elétricas, térmicas e mecânicas, servindo como base para o surgimento de nanocompósitos multifuncionais. 

Esses nanocompósitos inteligentes são capazes de identificar mudanças no comportamento da estrutura mediante condutividade elétrica associada à tensão aplicada, o que nos possibilita realizar o monitoramento dessa estrutura. 

Nanotubos de carbono (CNTs)

Nanofibras de carbono (CNFs)

Os compósitos cimentícios automonitorantes, destacam-se pela capacidade de permitir o monitoramento através do próprio concreto, que deixa de ter apenas função estrutural. 

Através do próprio material é possível monitorar cargas estáticas, dinâmicas e até mesmo a detecção de trincas. Além disso, usualmente há um aumento das propriedades mecânicas e durabilidade. Este fenômeno ocorre através da adição de enchimentos (fillers) funcionais na mistura.

Composição do concreto automonitorante. Fonte Baoguo Han et. al, 2018

 
Indo um pouco mais afundo, existem duas aplicações diretas de concretos automonitorantes com relevância significativa na indústria, que é o monitoramento de cargas na estrutura e detecção de danos e fissuras. 

Áreas de aplicação de nanocompósitos automonitorantes

Vou dar uns exemplos de onde a indústria está aplicando isso para que fique claro, ok?

1- Detecção de Tráfego

Conforme mostrado na figura abaixo, os pavimentos, ou suas seções transversais integradas com os nanocompósitos automonitorantes, detectam e coletam muitos dados importantes. 

Além disso as mudanças nos sinais de detecção causados pela polarização dos fatores ambientais, como temperatura e umidade são contínuas e graduais, enquanto os sinais causados pelo carregamento veicular são transitórios e abruptos.

Diagrama esquemático de detecção de tráfego

2- Monitoramento da Saúde Estrutural

O concreto de detecção pode facilmente monitorar mudanças de tensão, deformação e danos nas estruturas, garantindo seu funcionamento. Os nanotubos de carbono conferem alta correlação entre as curvas tensão-deformação e alteração da resistividade elétrica em ensaios de compressão em pastas de cimento e argamassa, indicando alta efetividade deste material no monitoramento de compósitos. Igualmente em ensaios sujeitos à compressão, o nanocarbono negro (carbon black) apresentou resultados satisfatórios, porém em menor sensibilidade comparado aos nanotubos. Em concretos convencionais, concretos de alto desempenho e ultra-alto desempenho, os nanotubos apresentaram resultados menos satisfatórios em ensaios de compressão, tração e flexão, tendo as fibras de carbono e fibras de aço apresentado maior efetividade de monitoramento, seja como único fíler ou combinados com nanotubos ou nanofibras de carbono. 

Em estudo utilizando concreto reforçado com fibras de ultra-alto desempenho, o fíler híbrido de nanotubos de carbono e fibras de aço possibilitaram a observação dos três estados de formação de fissuras, apesar de não conseguir indicar previamente a carga de ruptura como ocorre nos ensaios feitos em pastas. 

Dentre os fatores mais citados para assegurar o monitoramento através da leitura da resistividade estão a dispersão do material e o grau de compacidade da matriz, onde compósitos mais densos ou com menor fator água/cimento apresentaram resultados pouco satisfatórios quanto à redução e alteração da resistividade elétrica . 

Sistema de medição de sinal elétrico

Bom, levariam meses e mais meses para entrarmos afundo nesse assunto, então aqui demos apenas uma introdução nesse tema tão fascinante. Se você é um estudante da área estruturas e materiais, saiba que isso provavelmente, diretamente ou indiretamente, fará parte de seus estudos, se você é um engenheiro dessa área também acabará se esbarrando com isso cedo ou tarde.

Nos vemos em 2022 com mais tecnologia, informação e ciência!