Análise de condutividade elétrica e térmica de matrizes cimentícias com adição de óxido de grafeno e nanotubos de carbono

Abstract

Materiais constituídos por matrizes de cimento Portland são amplamente utilizados na indústria da construção civil, devido a suas características, como resistência mecânica e durabilidade, além da versatilidade. Para suprir a demanda por melhoria desses compósitos, cada vez mais pesquisas vêm sendo desenvolvidas, com foco em novas tecnologias e/ou aprimoramento de matrizes a base de cimento Portland, com o uso de adições e aditivos. Nesse sentido, o desenvolvimento de matrizes capazes de conduzir eletricidade e calor se torna uma oportunidade no uso em estruturas ou como materiais inteligentes. A utilização de nanomateriais a base de carbono, como o óxido de grafeno e nanotubos de carbono apresentam resultados promissores, por criarem uma rede de percolação elétrica e propagação de calor, dispersa ao longo da matriz cimentícia. Várias pesquisas obtiveram como resultado melhorias mecânicas e de hidratação em matrizes cimentícias com adições de carbono. Entretanto, há uma escassez de trabalhos relacionados à condutividade térmica e elétrica. A partir do pressuposto, o presente trabalho tem por objetivo observar as características mecânicas e físicas, focando nas propriedades de condutividade elétrica e térmica, além de observar a microestrutura formada em pasta de cimento com adição de nanotubos de carbono (NTC) e óxido de grafeno (OG), através de ensaios de MEV e DRX. Foram produzidas pastas de cimento Portland, com adição de 0,05%, 0,07% e 0,10% de OG e NTC. A relação a/c foi fixada em 0,40 e foi adicionado superplastificante à base policarboxilato a fim de promover a dispersão das adições na pasta. Foi avaliado a dispersão das adições com a presença do policarboxilato no meio aquoso através de microscopia ótica, onde foi possível observar a tendência de aglomeração das adições, conforme o aumento do teor das adições. Analisou-se, também, a trabalhabilidade das pastas produzidas, onde verificou-se a perda de fluidez com a adição de NTC. Como resultado, observou-se que as propriedades mecânicas apresentaram piora na presença das adições, que geraram pontos de fragilidade na matriz. A condutividade térmica também apresentou uma pequena diminuição. Contudo, a presença das adições promoveu aumento de condutividade elétrica, promovida pela movimentação de elétrons na pasta. As caracterizações microestruturais não apresentaram variação nos compostos formados pela presença das adições. Concluiu-se que houve um aumento de condutividade elétrica pela presença das adições na pasta, mas redução das outras características físicas e mecânicas. Isso foi potencializado, principalmente, pela dificuldade da dispersão do material na pasta.

Materials composed of Portland cement matrices are widely used in the construction industry due to their characteristics, such as mechanical strength, durability, and versatility. To meet the demand for improving these composites, increasing research is being conducted, focusing on new technologies and/or enhancing Portland cement matrices using additives and admixtures. In this context, the development of matrices capable of conducting electricity and heat becomes an opportunity for use in structures or as smart materials. The use of carbon based nanomaterials, such as graphene oxide and carbon nanotubes, shows promising results by creating a network of electrical percolation and heat propagation dispersed throughout the cementitious matrix. Several studies have shown improved mechanical and hydration properties in cement matrices with carbon additions. However, there is a shortage of research related to thermal and electrical conductivity. With this in mind, the present study aims to observe the mechanical and physical characteristics, focusing on electrical and thermal conductivity properties, as well as observing the microstructure formed in cement paste with the addition of carbon nanotubes (CNT) and graphene oxide (GO), through SEM and XRD tests. Portland cement pastes were produced with the addition of 0.05%, 0.07%, and 0.10% of GO and CNT. The water-to-cement ratio was fixed at 0.40, and polycarboxylate-based superplasticizer was added to promote the dispersion of additives in the paste. The dispersion of additives in the aqueous medium was evaluated through optical microscopy, where the tendency of aggregation of additives was observed with increasing additive content. The workability of the produced pastes was also assessed, revealing a loss of fluidity with the addition of CNT. As a result, it was observed that the mechanical properties deteriorated in the presence of additives, leading to points of fragility in the matrix. Thermal conductivity also showed a slight decrease. However, the presence of additives promoted an increase in electrical conductivity, driven by the movement of electrons in the paste. Microstructural characterizations showed no variation in the compounds formed by the presence of additives. It was concluded that there was an increase in electrical conductivity due to the presence of additives in the paste, but a reduction in other physical and mechanical characteristics. This was mainly exacerbated by the difficulty of material dispersion in the paste.