Avaliação das Propriedades Mecânicas na Fratura de Pastas de Cimento com Óxido de Grafeno - Artigo Científico

Autor Responsável Ricardo Augusto dos Santos Horta Data de envio 15062022 Data de aceite 11082022 DOI httpsdoiorg10159015177076RMAT20220142 Avaliação das propriedades mecânicas na fratura de pastas de cimento com adição de óxido de grafeno Evaluation of the mechanical properties on fracture of cement pastes with addition of graphene oxide Ricardo Augusto dos Santos Horta1 Júnia Nunes de Paula2 José Márcio Fonseca Calixto3 1Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais R Raymundo Mattoso 900 Santa Rita 35790000 Curvelo MG Brasil 2Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Av Amazonas 7675 Nova Gameleira 30510000 Belo Horizonte MG Brasil 3Universidade Federal de Minas Gerais Av Pres Antônio Carlos 6627 Pampulha 31270901 Belo Horizonte MG Brasil email ricardocivil92gmailcom juniapaulacefetmgbr calixtoufmgbr RESUMO Os materiais compósitos de base cimentícia incluindo pasta de cimento argamassa e concreto são os materiais mais comumente utilizados na construção civil No entanto a sua natureza frágil elevada dureza baixa resis tência à tração e propensão às fissuras são fatoreschave que comprometem a durabilidade e resultam em altos custos de manutenção das estruturas Materiais de reforço como barras de aço fibras de aço fibras de carbono fibras de vidro e polímeros foram extensivamente aplicados em concretos nos últimos anos Embora estes mate riais possam melhorar bastante a tenacidade do concreto solucionando bem os defeitos que ocorrem na micro escala inerentes aos materiais cimentícios as fraturas nestes materiais persistem Os nanomateriais como nano sílica nanotubos de carbono e derivados do grafeno podem atuar complementarmente às fibras tradicionais reforçando ainda mais os materiais cimentícios fibrosos por meio dos mecanismos de restrição à iniciação e à propagação das fissuras na escala nanométrica bem como disponibilização de uma área de superfície específica extremamente elevada para interação com os produtos de hidratação do cimento Dentre os nanomateriais o óxido de grafeno OG apresenta um enorme potencial para aplicação nos compósitos cimentícios Neste tra balho foram realizados ensaios com adição de OG produzido e patenteado no CTNanoUFMG em pastas de cimento classe CPIIIRS40 Objetivouse avaliar as propriedades mecânicas de pastas de cimento com adição de OG nos teores de 003 e 005 Dentre os teores de adição analisados o teor de 005OG permitiu a obtenção dos melhores resultados aos 28 dias de cura Foram obtidos aumentos de 1940 1686 2737 e 2155 no módulo de elasticidade resistência à tração na flexão tenacidade à fratura e energia de fratura res pectivamente Diante destes resultados podese inferir que o OG tem potencial para ser aplicado na construção civil visando a melhoria das propriedades mecânicas e parâmetros de fratura de pastas de cimento Palavraschave Compósitos cimentícios Nanomateriais Óxido de grafeno Propriedades mecânicas ABSTRACT Cementbased composite materials including cement paste mortar and concrete are the most commonly used materials in civil construction However its brittle nature high hardness low tensile strength and propensity to cracking are key factors that compromise durability and result in high maintenance costs for structures Reinfor cement materials such as steel bars steel fibers carbon fibers glass fibers and polymers have been extensively applied to concrete in recent years Although these materials can greatly improve the toughness of concrete solving well the defects that occur in the micro scale inherent to cementitious materials the fractures in these materials persist Nanomaterials such as nanosilica carbon nanotubes and graphene derivatives can act as a complement to traditional fibers further reinforcing fibrous cementitious materials through mechanisms that restrict the initiation and propagation of cracks at the nanometer scale as well as providing an extremely high HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 specific surface area for interaction with cement hydration products Among the nanomaterials graphene oxide GO has an enormous potential for application in cementitious composites In this work tests were carried out with the addition of GO produced and patented at CTNanoUFMG in cement pastes class CPIIIRS40 The objective was to evaluate the mechanical properties of cement pastes with the addition of GO at the levels of 003 and 005 Among the addition levels analyzed the content of 005GO allowed to obtain the best results at 28 days of curing Increases of 1940 1686 2737 and 2155 were obtained in the modulus of elasticity flexural tensile strength fracture toughness and fracture energy respectively In view of these results it can be inferred that GO has the potential to be applied in civil construction aiming the improvement of the mechanical properties and fracture parameters of cement pastes Keywords Cement composites Nanomaterials Graphene oxide Mechanical properties 1 INTRODUÇÃO Os materiais compósitos de base cimentícia incluindo pasta de cimento argamassa e concreto são os materiais mais comumente utilizados na construção civil No entanto a sua natureza frágil elevada dureza baixa resistência à tração e propensão às fissuras são fatoreschave que comprometem a durabilidade e resultam em altos custos de manutenção das estruturas Neste sentido diversos trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos com o objetivo de encontrar materiais que possam limitar o desenvolvimento de fissuras nos compósitos cimentícios e dessa forma possibilitar o aumento do tempo de vida útil das edificações e reduzir a frequência dos ciclos construtivos o que por si só já representa um grande avanço do ponto de vista ambiental 1 Materiais de reforço como barras de aço fibras de aço fibras de carbono fibras de vidro e políme ros foram extensivamente aplicados em concretos nos últimos anos Embora estes materiais possam melhorar bastante a tenacidade do concreto solucionando bem os defeitos que ocorrem na micro escala inerentes aos materiais cimentícios as fraturas nestes materiais persistem Os nanomateriais nanosílica nanotubos de car bono e derivados do grafeno podem atuar complementarmente às fibras tradicionais reforçando ainda mais os materiais cimentícios fibrosos por meio dos mecanismos de restrição à iniciação e à propagação das fissuras na escala nanométrica bem como disponibilização de uma área de superfície específica extremamente elevada para interação com os produtos de hidratação do cimento 2 Dentre os nanomateriais o óxido de grafeno OG apresenta um enorme potencial para aplicação nos compósitos cimentícios sendo tipicamente produzido a partir da oxidação do grafite esfoliação e purificação em um processo conhecido como método de Hummers 3 conforme mostra a Figura 1 O OG consiste em uma estrutura plana de átomos de carbono interligados em formato hexagonal com orbitais hibridizados sp2 e sp3 5 Segundo LU et al 6 o OG é um material hidrofílico devido à presença de grupos funcionais de oxigênio no plano basal e bordas de sua estrutura molecular conforme mostra a Figura 2 Embora o OG tenha sido objeto de inúmeras pesquisas nos últimos anos a sua exata relação com o meca nismo de hidratação do cimento ainda não é totalmente compreendida LV et al 2 apresentou um possível mecanismo de ação do óxido de grafeno sobre o processo de hidra tação do cimento conforme se observa na Figura 3 Segundo LV et al 2 a superfície do OG possui vários grupos funcionais de oxigênio entre eles OH COOH e CO Figura 3a Esses grupos funcionam como sítios de adsorção tanto para moléculas de água como para componentes do cimento C3S C2S C3A e C4AF que reagem e formam pontos de nucleação para os produtos de hidratação Figura 3b Os pontos de nucleação se desenvolvem e formam os primeiros cristais de cimento hidratados em formato de bastonetes Figura 3c e 3d Os cristais se desenvolvem e adquirem for mato de colunas Figura 3e Os cristais de cimento completamente hidratados em formato de flor Figura 3f Figura 1 Método de Hummers para a obtenção de OG 4 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 Figura 2 Estrutura molecular do óxido de grafeno A Grupo epoxílico B Grupo hidroxílico C Grupo carboxílico 2 Figura 3 Possível mecanismo de ação do OG sobre o processo de hidratação do cimento 2 se separam das folhas de OG e preenchem poros e fissuras na matriz de cimento funcionando como material de enchimento e retardando a propagação das fissuras Os cristais de cimento hidratados em formato de flor consistem em estruturas entrelaçadas com dispo nibilidade de espaço para absorver o movimento de modo que a resistência à tração é elevada Quando são HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 utilizadas dosagens elevadas de OG na matriz do cimento os cristais em formato de flor tendem a ficar mais densos e agregar formando poliedros Devido à estrutura compacta os cristais de CSH em forma de poliedros apresentam maior resistência à compressão Este mecanismo de ação permite inferir que as nano folhas de OG desempenham um papel efetivo na regulação da microestrutura dos cristais de cimento hidratados reduzindo a fragilidade e aumentando signifi cativamente as resistências à tração e à compressão dos materiais cimentícios As características de reforço dos materiais cimentícios pelo OG também são descritas por outros autores como apresentado nos tópicos seguintes O OG proporciona o intertravamento da matriz do cimento devido à sua morfologia rugosa 3 Efeito nano filler O OG é capaz de preencher os poros na microestrutura do compósito cimentício proporcionando a densificação e uma estrutura com menos defeitos proporcionando maior resistência mecânica e durabilidade 5 O OG possui elevada superfície específica para interação com os produtos de hidratação do cimento 7 O OG catalisa a reação de hidratação do cimento Grupos funcionais de oxigênio principalmente OH e COOH presentes na estrutura molecular do OG funcionam como sítios de adsorção tanto para moléculas de água como para componentes do cimento C2S e C3S C3A e C4AF facilitando a reação de hidratação e favorecendo a nucleação dos cristais de CSH Além disso o mecanismo de adsorção de água na superfície das moléculas de OG permite a redução no conteúdo de água livre o que também favorece a redução da porosidade e aumento na resistência mecânica 7 O OG regula a formação dos cristais de CSH em um arranjo regular e alinhado permitindo a redução da porosidade e a obtenção de um maior grau de compactação da estrutura cristalina 8 O OG possui elevada resistência à tração e elevado módulo de elasticidade características que tornam este material capaz de restringir a iniciação e a propagação das fissuras no compósito cimentício em uma escala nanométrica As fissuras passam a ocorrer de maneira tortuosa e com menor espessura reduzindo a possibi lidade de falha ruptura do material 3 9 Com base nisto buscouse neste trabalho aprofundar a seguinte pergunta de pesquisa quais os efeitos da adição do óxido de grafeno sobre a cinética da reação de hidratação do cimento e sobre as propriedades mecâ nicas de pastas no estado endurecido De forma a responder a esta pergunta de pesquisa foram realizados testes com adição de óxido de gra feno produzido e patenteado no CTNanoUFMG1 em pastas de cimento Portland de classe CPIIIRS40 Obje tivouse avaliar as propriedades mecânicas resistência à tração módulo de elasticidade e parâmetros de fratura de pastas de cimento com adição de OG nos teores de 003 e 005 em relação à amostra de referência Os resultados obtidos serão analisados e ao final discutidos 2 REVISÃO TEÓRICA 21 Ensaios de flexão 211 Resistência à tração na flexão Os ensaios de flexão avaliam a resistência à tração dos materiais quando o ensaio de tração direta é inviável Os ensaios de flexão usualmente são empregados em materiais cerâmicos frágeis que apresentam limitações práticas à realização do ensaio de tração direta que podem segundo CALLISTER JUNIOR 10 ser das seguintes naturezas difícil preparação usinagem das amostras com a precisão geométrica exigida fixação das amostras nas garras de ensaio induzem o trincamento materiais frágeis falham após deformações da ordem de 01 exigindo perfeito alinhamento Nos ensaios de flexão os corpos de prova que podem ser prismáticos de seção transversal retangular ou circular são dispostos sobre dois apoios e a carga é aplicada no centro do vão flexão em três pontos ou em dois pontos equidistantes entre os apoios flexão em quatro pontos como mostra a Figura 4 De acordo com CALLISTER JUNIOR 10 e SHACKELFORD 11 nos materiais frágeis como não há deformação plástica significativa a ruptura ocorre quando atingida a carga máxima Pmáx A tensão máxima 1 CTNanoUFMG Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais Figura 4 Ensaio de flexão em três pontos à esquerda ensaio de flexão em quatro pontos à direita 10 relacionada a esta carga é a resistência do material à flexão σf ou módulo de ruptura MDR No caso de seção retangular é expressa pela Equação 1 onde S vão livre B base da seção retangular e W altura da seção retangular σf MDF 3Pmax S 2BW2 Equação 1 Nos materiais frágeis em virtude da presença de trincasdefeitosdescontinuidades o MDR está sempre relacionado à resistência à tração do material uma vez que o limite de resistência à tração é significativamente inferior ao de compressão nestes materiais Ressaltase que no caso do ensaio de flexão em três pontos quando um entalhe é realizado no meio do seu vão útil a Equação 6 é alterada no denominador ficando segundo FERREIRA 12 em acordo com a Equação 2 onde σf resistência à flexão MPa Pmáx carga máxima aplicada N S vão livre mm B base da seção retangular W altura da seção retangular e a0 altura do entalhe σf 3Pmax S 2BW a02 Equação 2 212 Módulo de elasticidade O módulo de elasticidade ou módulo de Young das amostras pode ser determinado a partir de informações obtidas na fase elástica do diagrama P x δ Segundo FERREIRA 12 no ensaio de flexão em três pontos o módulo de elasticidade é dado pela Equação 3 onde E módulo de elasticidade MPa Pi carga aplicada no iésimo estágio de deformação N S vão livre mm W altura da viga mm a0 altura do entalhe B base da viga mm δi deslocamento vertical da linha de carga mm no iésimo estágio de deformação e vα função adimensional de dependência geométrica e de condições de contorno para deslocamentos pode ser encontrada ao final do subitem 234 e α a0W a extensão normalizada da fissura relativamente à altura do corpo de prova Considerandose a adoção de pares i quaisquer de cargas e deslocamentos na fase elástica temse E Pi S3 4W a03 B δi vα Equação 3 213 Tenacidade à fratura Segundo FERREIRA 12 a tenacidade à fratura dos corpos de prova pode ser calculada aplicandose a Equação 4 onde KIC tenacidade à fratura MPamm P máx carga máxima aplicada N S vão livre mm W altura da viga mm a0 altura do entalhe B base da viga mm e fα é uma função adimensional dependente da geometria e do modo de solicitação do corpo de prova ao faturamento pode ser encontrada ao final do subitem 234 KIC σπ a0 fα 3 Pmax S 2B W a02 π a0 fα Equação 4 214 Energia de fratura De acordo com DANOGLIDIS et al 13 a energia de fratura é definida como a quantidade de energia requerida pelos materiais para que eles falhem Para a determinação da energia de fratura Gf são utilizadas vigas com entalhes centrais submetidas à flexão em três pontos A execução do entalhe central tem por objetivo a fragilização da seção transversal nessa região e a criação de um plano preferencial de fraturamento Segundo FERREIRA 12 a ruptura por flexão em três pontos é sempre preferível àquela por flexão em quatro pontos dado que os níveis de carregamento são inferiores no primeiro caso Dessa forma a dissipação energética localizada que se verifica nas regiões dos apoios e no ponto de transmissão de carga e que decorre da danificação do corpo de prova também é minimizada Por essas razões optouse neste trabalho pela realização do ensaio de flexão em três pontos A energia de fratura Jmm2 segundo FERREIRA 12 é obtida dividindose o trabalho realizado pela carga externa J para total ruptura do corpo de prova pela área da seção transversal fraturada mm2 ou seja a área do ligamento AL projetada sobre o plano da seção transversal conforme a Equação 5 Gf 1 AL 0δ Pδ dδ Equação 5 O trabalho realizado pela força externa é determinado pela área sob a curva de carregamento P x δ conforme a Figura 5 AL B W a0 Equação 6 A área do ligamento AL ou área da seção fraturada pode ser vista na Figura 6 sendo determinada pela Equação 6 Para vigas solicitadas à flexão em três pontos para diferentes relações SW as funções fα e gα são dadas pela Equação 7 sendo α a0W fα vα a bα cα2 dα3 eα4 fα5 005 α 065 Equação 7 Figura 5 Curva de carregamento P x δ 13 Figura 6 Corpo de prova com entalhe à esquerda e área do ligamento AL à direita 12 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 Tabela 1 Coeficientes para o cálculo da função adimensional de dependência fα 12 SW A B C D E F 1 13784151 28339910 63744746 29002261 58053333 127549070 2 10244559 14050530 44289807 00180668 87581504 139282700 3 10444201 12557771 40220222 13056905 111403750 156007550 6 10771384 10921176 35032921 25230498 128730870 166358800 9 10843312 09797652 30458388 34258041 136221960 167970730 12 10952824 10798027 39783769 00532106 82047085 135719790 15 10985129 10667642 39535844 00330708 80664448 134576870 Os coeficientes necessários ao uso da Equação 7 encontramse reunidos nas Tabelas 1 e 2 O cálculo das funções fα e vα para relações SW intermediárias por exemplo SW 4 pode ser pro cedido por meio de interpolações quadráticas entre três valores próximos 2 3 e 6 ou 3 6 e 9 22 Digital image correlation dic O Digital Image Correlation DIC ou Correlação Digital de Imagens é um método da metrologia óptica que torna possível a análise e a determinação de um campo de deslocamentos em uma das superfícies planas de um corpo de prova a partir da comparação de um par de imagens obtidas antes e após a aplicação de cargas sobre a peça 14 O método DIC compreende três etapas em sequência a preparação das amostras e do experimento b captura e gravação das imagens da superfície plana da amostra durante o ensaio e c processamento das ima gens capturadas usando um software para obter as informações de deslocamento e deformação desejadas 15 Na primeira etapa selecionase uma das faces da amostra a mais heterogênea possível para a captura das imagens Em seguida é realizada uma pintura sobre essa face com a utilização de spray branco seguido pela aplicação de jateamento de spray preto para a obtenção de um padrão estocástico de leitura o qual faci litará a captura das imagens O corpo de prova é então posicionado em frente à câmera podendo ser utilizadas diferentes técnicas de iluminação para dar maior destaque à região de análise Na segunda etapa são realizadas imagens contínuas do corpo de prova em intervalos de tempo prédefinidos Em posse das imagens iniciase a terceira e última etapa Selecionase um pequeno campo de pixels cha mado de subset na primeira imagem assim o software busca por este campo nas imagens seguintes registrando o deslocamento sofrido Cada área na imagem tem uma identidade própria possuindo uma escala de cinza única Ao encontrar o subset selecionado e a partir de uma escala de medição de referência o software realiza os cálculos e dá como resultado o deslocamento nos eixos x e y relacionando as duas imagens como se pode ver na Figura 7 Para a obtenção de imagens de alta qualidade é necessária uma boa iluminação um ajuste correto da posição da câmera um sistema de captação de imagens que permita que a câmera permaneça imóvel durante todo o ensaio além de um ambiente sem ruídos ou movimentação de pessoas 15 A técnica de Correlação Digital de Imagens apresenta boa correlação de resultados quando comparada às técnicas tradicionais de medição como a extensometria por strain gauges Além disso o DIC se diferencia pelo fato de ser um ensaio não destrutivo já que as medições de deformação e deslocamento do subset são realizadas por meio de deflectômetros virtuais e não por extensômetros inexistindo o risco de danificação do equipa mento Dessa forma o ensaio realizado pelo método DIC permite a realização de investigações nos materiais de maneira mais ampla abrangendo desde o seu estado indeformado até a captura detalhada de seu colapso 15 Tabela 2 Coeficientes para o cálculo da função adimensional de dependência vα 12 SW A B C D E F 1 85333030 69221060 411207960 2606611200 5297530500 4651061600 2 21646138 35621812 218987350 1417857100 2916215200 2639509100 3 13866763 24347404 146668020 982475290 2008130900 1821020400 6 10502334 12447670 72716567 509161060 1035411300 940545970 9 10090549 08385951 48571279 344491510 699004690 634776140 12 09987721 06293423 36192397 259222000 525719460 477850660 15 09954243 05043539 28929718 208259240 422342320 383965440 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 3 MATERIAIS E MÉTODO 31 Materiais 311 Cimento Portland Foi utilizado neste trabalho o cimento CPIIIRS40 cimento com até 70 de adição de escória de alto forno O cimento CPIII foi escolhido com o objetivo de investigar o efeito da adição do OG em um cimento com adições e o potencial de utilização do OG nas construções in loco Além disso este cimento foi escolhido em função de ser o cimento mais comumente utilizado em experimentos permitindo deste modo uma comparação mais precisa dos resultados que serão obtidos neste trabalho com os resultados identificados na literatura O cimento CPV por ser um cimento puro e com elevado grau de finura seria a melhor opção porém como as alterações no comportamento reológico deste tipo de cimento são bastante significativas além do fato de que neste trabalho foi evitado o uso de aditivos plastificantes optouse pelo cimento CPIII Os ensaios físicos e químicos do cimento foram realizados na própria fábrica e os relatórios gerados foram dis ponibilizados pelo fabricante A Tabela 3 apresenta as principais informações referentes aos ensaios realizados sobre o CPIIIRS40 e limites normativos da ABNT NBR 166972018 Cimento Portland Requisitos 17 Como se pode observar o cimento utilizado no programa experimental deste trabalho atende aos requi sitos técnicos estabelecidos pela norma ABNT NBR 166972018 17 312 Solução de óxido de grafeno O óxido de grafeno utilizado neste trabalho foi fornecido pelos laboratórios do CTNanoUFMG na forma de uma solução aquosa com concentração de 50 gL Em seu processo de obtenção o OG foi esfoliado por meio de oxidação com ácidos resultando em estruturas com 1 a 7 folhas de espessura dimensão lateral de 5 µm quando então foi realizada a lavagem com água destilada para a retirada do ácido O seu grau de oxidação é de 40 em massa sendo que o método utilizado é conforme a patente BR 1020160056322 A2 e inspirado no Método de Hummers O OG permanece disperso em solução aquosa pelo tempo médio de 90 dias A equipe técnica do CTNanoUFMG realizou ensaios de caracterização sobre o óxido de grafeno forne cido para a realização desta pesquisa Os ensaios de caracterização consistiram em análise termogravimétrica TGA e microscopia eletrônica de transmissão MET O ensaio de TGA Figura 8 foi realizado em uma termobalança TGA50 Shimadzu sendo constatado que a amostra de óxido de grafeno sólido perde até 40 de sua massa quando aquecida a uma temperatura de 400ºC Na temperatura de 543ºC a amostra de OG passa quase que em sua totalidade para o estado gasoso Estes resultados são condizentes com aqueles encontrados por FARIA et al 18 A razão de aquecimento da amostra foi de 5ºCmin em fluxo de N2 no intervalo de 0C a 800C Figura 7 Ilustração da detecção de subconjuntos coincidentes de pixels para cálculo do deslocamento 16 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 Figura 8 Análise termogravimétrica TGA do OG sólido Tabela 3 Resultados dos ensaios físicos e químicos do cimento e limites normativos PARÂMETROS CPIIIRS40 CIMENTO UTILIZADO LIMITES NBR 166972018 31 Data de ensacamento 13082016 Massa específica gcm3 303 Finura Blaine cm2g 4642 Retido na peneira nº 200 75ìm 0467 80 Início de pega min 180 60 Fim de pega min 250 720 Água de consistência 2938 SO3 238 45 MgO 343 SiO2 2409 Al2O3 636 Fe2O3 330 CaO 5481 Na2O 014 K2O 067 Perda ao fogo 347 65 Resíduo insolúvel 140 50 Para a realização do ensaio de MET Figura 9 foram depositadas amostras da solução de OG em grades de cobrecarbono Por meio deste ensaio foi possível observar sob as escalas de magnitude de 5 µm Figura 9a e 10 nm Figura 9b a estrutura bidimensional das folhas de óxido de grafeno Na Figura 9a observamse faixas na cor pretacinza que são as folhas de OG interligadas O que aparentam ser bolhas são as grades de cobre carbono Na Figura 9b podemos vemos a estrutura do OG e a região de fronteira com o auxílio de uma lente com maior poder de resolução 313 Água Foi utilizada água fornecida pela COPASA aos laboratórios do CTNanoUFMG para completar a água da solu ção de OG utilizada HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 32 Método 321 Verificação de alterações no pH da pasta de cimento pela adição da solução de OG A solução de OG fornecida pelos laboratórios do CTNanoUFMG apresentava pH igual a 2 medida por meio de fita indicadora O pH da solução de OG é mais baixo devido à presença de substâncias ácidas remanescentes do processo de oxidação do grafite durante a fase de síntese Dependendo do volume da adição valores de pHs muito baixos podem prejudicar o processo de hidra tação do cimento Além disso o pH ácido é responsável pela despassivação do aço em estruturas de concreto armado A despassivação é a remoção da camada de óxidos que cobrem o aço tornandoo susceptível a agentes causadores da corrosão como água CO2 e íons cloreto Este processo se reflete na redução da durabilidade do elemento estrutural Como forma de verificar as alterações na alcalinidade da pasta de cimento realizouse medições do pH da pasta de cimento com adição de 003OG em relação à massa de cimento em 5 instantes de tempo 0 15 30 45 e 60 minutos cronometrados desde o instante do início da mistura O cimento utilizado na análise é o CPIIIRS40 que em função do elevado teor de escória de alto forno apresenta um pH mais baixo devido a hidrólise ácida de substâncias como Fe2O3 e Al2O3 presentes em elevada proporção Ao realizar análises com este tipo cimento objetivase a investigação do pior cenário possível ou seja aquele em que o pH da pasta de cimento já é baixo e ainda se adiciona a solução de OG cujo pH é ácido Ao final comparouse os valores de pH obtidos com o pH da pasta de cimento de referência O resultado obtido é mostrado na Tabela 4 Como se pode observar a adição de OG não produziu alterações do pH da pasta de cimento mesmo considerando vários intervalos de tempo cronometrados a partir do instante do início da mistura Isto se deve a dois fatores principais i o volume de adição da solução de OG é muito pequeno ii o pH da pasta de cimento de referência está entre 12 e 13 considerado bastante alcalino sendo que a acidez propor cionada pela solução de OG é insuficiente para causar alterações do pH 322 Dosagem dos materiais Pela revisão de literatura foi identificado que os teores de adição de OG que conduzem aos melhores resultados de resistência mecânica foram de 003 e 005 por massa de cimento enquanto a relação ac associada aos melhores resultados é próxima a 04 No entanto neste trabalho será evitado o uso de aditivos plastificantes como forma de minimizar o número de variáveis que podem influenciar no resultado final sendo portanto utilizada uma relação ac de 05 Com base nestes parâmetros determinouse a composição das pastas de cimento a serem submetidas aos ensaios de reologia calor de hidratação e ensaios mecânicos conforme mostra a Tabela 5 Os cálculos realizados para a determinação da composição das amostras são demonstrados no Apêndice A Tabela 4 Medições do pH da pasta de cimento de referência e da pasta de cimento com adição de OG AMOSTRA MEDIDAS DO pH NOS INSTANTES DE TEMPO 0 min 15 min 30 min 45 min 60 min CPIIIREF 1213 1213 1213 1213 1213 CPIII003OG 1213 12 12 12 1213 Figura 9 ab Microscopia eletrônica de transmissão MET obtida pela deposição da dispersão de OG em grades de cobrecarbono Escalas de magnitude de 5 µm Figura 9a e 10 nm Figura 9b HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 323 Preparo das pastas de cimento Foram preparadas pastas com cimento CPIIIRS40 com 3 teores distintos do nanomaterial i referência sem OG ii acréscimo de OG na proporção de 003 da massa de cimento e iii acréscimo de OG na proporção de 005 da massa de cimento As pastas de cimento foram preparadas em uma cuba de inox com capacidade para 600 mL por meio de um misturador de palhetas disponível no CTNanoUFMG A ordem para colocação dos materiais seguiu a seguinte sequência i adição de água ii adição da solução de óxido de grafeno e iii adição do cimento A programação da agitação mecânica consistiu em 2 ciclos de rotação a 5000 rpm 200 rpm por 30 segundos com uma mistura manual de 15 segundos durante o intervalo entre os ciclos Esta energia de mistura foi definida com base nos estudos realizados por RAUCCI et al 19 SOARES 20 e a partir de cali brações realizadas no Laboratório de Cimento do CTNanoUFMG Tal procedimento foi definido pelo fato de proporcionar melhor mistura da pasta cimentícia e menor interferência no sistema de hidratação do cimento 324 Homogeneização das pastas Após o preparo das pastas foi realizada a sua homogeneização utilizando um consistômetro atmosférico Figura 10 modelo 1200 da marca Chandler Engineering O equipamento é basicamente um recipiente com um banho de água no qual são alojados dois cilindros que giram a 150 15 rpm Cada célula apresenta internamente uma palheta estacionária imersa na pasta de cimento que por sua vez transmite o torque imposto pela pasta a uma mola acoplada a um dial indicando a consistência da pasta O procedimento de homogeneização das pastas foi realizado conforme PROCELAB 21 Consistiu em verter as pastas de cimento recémpreparadas para o cilindro e condicionálas por 20 minutos sendo que a temperatura do banho mantevese em 25C 1C Após este período a palheta é retirada e a pasta de cimento é agitada por mais 5 segundos com o auxílio de uma espátula O período de 20 minutos de condicionamento no consistômetro foi definido de acordo com PROCELAB 21 e MAKAR et al 22 Segundo MAKAR et al 22 as principais reações de hidratação do cimento Portland ocorrem princi palmente pela formação dos compostos aluminato tricálcico C3A silicato tricálcico C3S aluminoferrato tetracálcico C4AF e silicato dicálcico C2S No início do processo de hidratação primeiro estágio o C3A reage instantaneamente com a água e o sulfato de cálcio do sistema sendo esta uma reação altamente exotérmica e pouco controlada com duração aproximada de 20 minutos Após este intervalo de tempo a pasta de cimento inicia o estágio de dormência ou de indução período em que a evolução do calor de hidratação é relativamente baixa e a consistência da pasta é mantida constante até o início da pega É neste período em que devem ser ini ciados os ensaios de reologia e calor de hidratação sobre as pastas de cimento Figura 10 Consistômetro atmosférico utilizado na homogeneização das pastas à esquerda o perfil do equipamento e à direita o painel de controle Tabela 5 Composição das pastas de cimento IDENTIFICAÇÃO CIMENTO g SOLUÇÃO DE OG 50gL mL ÁGUA mL CPIIIREF 720 0 360 CPIII003OG 720 4320 31680 CPIII005OG 720 72 288 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 325 Moldagem e cura dos corpos de prova Após os ensaios de reologia e calor de hidratação foram preparadas mais pastas de cimento e após a colocação no consistômetro foi executada a moldagem dos corpos de prova Foram utilizados moldes prismáticos de dimensões 25 mm 25 mm 280 mm previamente lubrificados com óleo queimado preenchidos com pasta de cimento em duas camadas cada camada sendo adensada por meio de vibração manual durante 15 segundos Os moldes foram mantidos em uma câmara isolada com tempe ratura ambiente e umidade controlada por climatizador de ar durante 24 horas Após este período os corpos de prova foram desmoldados e divididos na metade do seu comprimento por meio de um serrote As metades foram separadas e identificadas de acordo com as idades em que serão rompidas sendo estas de 7 e 28 dias Esse tipo de planejamento denominado blocagem permite reduzir a variância resultante do procedimento de preparo das pastas de cimento Em seguida os corpos de prova foram colocados em um reservatório de água saturada com cal até o término da etapa de cura O procedimento de moldagem e cura dos corpos de prova seguiu a técnica estabelecida pela norma ABNT NBR 57382003 Concreto Procedimento para moldagem e cura de corpos de prova 23 326 Preparo dos corpos de prova para os ensaios A preparação dos corpos de prova objetivou atender as condições de estudo da mecânica da fratura e de aplica ção do método de Correlação Digital de Imagens Dado o dia de execução dos ensaios de flexão em três pontos os corpos de prova eram retirados do reservatório de cura e em seguida preparados Primeiramente foi feita uma incisão nos corpos de prova para conduzir o direcionamento das fissuras durante o ensaio de flexão em três pontos Nos corpos de prova com idade de 7 dias utilizouse um arco de serra para realizar o entalhe Já para os corpos de prova com idade de 28 dias foi necessária a utilização de uma maquita profissional da marca Bosh equipada com disco multicorte tendo em vista a dureza dos corpos de prova com estágio de hidratação avançado O corte foi realizado a uma altura de aproximadamente 13 da altura do corpo de prova Após ser realizado o entalhe a face frontal de cada um dos corpos de prova foi pintada com um spray branco e em seguida foram aplicados jateamentos de spray preto para criar um padrão estocástico de leitura em cada corpo de prova O padrão criado é de extrema importância para a eficiência da análise que é realizada pelo método de Correlação Digital de Imagens disponível no laboratório de análises do CTNanoUFMG 327 Ensaio de flexão em três pontos e aplicação do método de Correlação Digital de Imagens Em seguida realizouse o ensaio de flexão em três pontos O corpo de prova é biapoiado em um vão de 120 mm e alinhado de modo que o entalhe central realizado coincida com o cutelo aparato rotulado responsável por concentrar a carga sobre o corpo de prova Este ensaio foi conduzido em um equipamento da marca EMIC linha DL 200 KN de carga em uma célula de carga de 500N a uma velocidade de 0025 mmmin no qual é aplicada uma précarga de 10N durante 2 minutos Foram rompidos 3 corpos de prova para cada traço ver Tabela 5 e para cada idade de cura Após a aplicação da précarga e durante o carregamento uma câmera acA3800 da marca Basler apoiada em um tripé e posicionada de frente para o corpo de prova a uma distância fixa de 20cm realizou imagens con tínuas do corpo de prova em intervalos de 250 milissegundos até o rompimento Considerouse o limite máximo de 500 fotos suportado pelo programa Grab Manager A Tabela 6 contém os dados técnicos descritos anteriormente Como forma de reduzir o efeito da variação da luminosidade durante a execução do ensaio utilizouse um aparelho refletor conectado diretamente à câmera o qual foi o responsável por iluminar o corpo de prova A Figura 11 apresenta o ensaio realizado Simultaneamente às imagens geradas pela câmera Basler acA3800 uma webcam da marca C3 Tech modelo wb2105p registrou a força aplicada pelo equipamento no corpo de prova também até atingir a ruptura como mostra a Figura 12 Tabela 6 Dados técnicos do ensaio de flexão em três pontos realizado CÉLULA DE CARGA VÃO ÚTIL VELOCIDADE DO ENSAIO Nº de IMAGENS INTERVALO DE CAPTURA FORÇA NA PRÉCARGA TEMPO DE PRÉCARGA 500 N 120 mm 0025 mmmin 500 250 ms 10 N 2 min HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 Por meio do programa Grab Manager as imagens de força registradas pela webcam foram convertidas em um arquivo de texto Sendo assim para cada corpo de prova ensaiado obtevese a anotação da leitura das forças de cada estágio de deformação Para cada amostra todas as imagens geradas são transferidas para o programa GOM Correlate o qual é responsável por sincronizar os estágios de deformação com a força aplicada sendo então possível a medição dos deslocamentos sofridos pelo corpo de prova até o rompimento O ensaio de flexão em três pontos realizado neste trabalho seguiu a técnica estabelecida pela norma ABNT NBR 121422010 Concreto Determinação da resistência à tração na flexão de corpos de prova pris máticos 24 328 Leitura dos deslocamentos No software GOM Correlate são virtualmente locados deflectômetros que registram o deslocamento vertical sofrido pelo corpo de prova durante a aplicação da tensão O jateamento de spray previamente realizado foi uti lizado para correlacionar os estágios de referência ou seja foi criado um padrão estocástico de análise em que é verificada em alta precisão as deformações sofridas durante o carregamento Como o GOM Correlate mede os deslocamentos utilizandose valores reais é necessário definir uma medida padrão para o programa reconhecer e calcular as distâncias desejadas Nesta pesquisa utilizouse uma régua com escala de 1100 na qual foi demarcada uma reta de 10 mm e esse valor foi informado para o pro grama Dessa forma o programa passa a reconhecer uma distância real de 10 mm e pode processar os cálculos das distâncias e deformações desejadas Após a configuração da escala foi definido o sistema de coordenadas espaciais o eixo x corresponde ao alinhamento da face inferior do corpo de prova o eixo y corresponde à altura e o eixo z à largura do corpo de prova Foi definido também um ponto de faceta logo abaixo do cutelo utilizado para a medição do desloca mento vertical sofrido pelo corpo de prova Esse ponto de faceta compreende um conjunto de pixels os quais se diferenciam dos demais no entorno a partir do padrão estocástico de pintura realizado Figura 11 Ensaio de flexão em três pontos à esquerda Realização de imagens para aplicação do método DIC à direita Figura 12 Posicionamento da webcam sobre o monitor à esquerda Indicador digital de força à direita Figura 13 Ponto de faceta criado para a medição do deslocamento vertical sofrido pelo corpo de prova durante o carregamento Posteriormente à definição do ponto de faceta foram definidos os estágios inicial e final do ensaio O estágio inicial foi definido como sendo o instante de início do carregamento O estágio final foi definido como sendo o instante de iminência de ruptura do corpo de prova Logo o deslocamento vertical sofrido pelo ponto de faceta foi calculado tendo como referência a primeira imagem até a imagem anterior à imagem de ruptura da peça A Figura 13 apresenta o ponto de faceta criado para a medição do deslocamento vertical sofrido por um dos corpos de prova 329 Elaboração das curvas de carregamento e cálculo das propriedades mecânicas e parâmetros de fratura Posteriormente realizouse a exportação dos dados de deslocamento vertical em cada instante estágio de deformação para cada um dos corpos de prova para o Microsoft Excel Realizouse então a combinação dos valores de carga aplicada e deslocamento vertical em cada instante gerando a curva de carga F por deslocamento vertical δ para cada corpo de prova ensaiado Por meio do MSExcel foram extraídos pares de carga e deslocamento vertical no iésimo estágio de deformação δi e Pi para um limite de até 30 da carga máxima do ensaio sendo que estes valores foram utilizados nas Equações 8 e 12 para o cálculo do módulo de elasticidade Como a carga Pi é distante da carga máxima aplicada no ensaio considerouse a inércia da seção inteira no cálculo Para o cálculo da resistência à tração na flexão e tenacidade à fratura foi utilizada a carga máxima do ensaio Pmáx conforme Equações 7 e 9 Considerouse a inércia da seção fraturada no cálculo Para o cálculo da energia de fratura foi realizada a razão entre a área abaixo das curvas de carregamento 0δ Pδdδ e a área da seção fraturada AL dos corpos de prova conforme Equações 5 e 6 3310 Medição da área da seção fraturada Após o rompimento dos corpos de prova efetuouse a medição das dimensões da seção fraturada por meio de um paquímetro mecânico Digimess 150 mm 002 mm Ressaltase que após o ensaio de flexão em três pontos os corpos de prova são divididos em duas partes porém calculouse a área da seção fraturada considerandose apenas uma delas A equação utilizada para o cálculo da área da seção fraturada ou área de ligamento AL é a Equação 6 Nos casos em que a seção fraturada teve a forma de um trapézio a altura deixou de ser representada por W a0 e passou a ser considerada como a média das alturas H1 e H2 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 41 Ensaio de flexão em três pontos Para a execução do ensaio de flexão em três pontos foi estabelecida uma série de 3 amostras por teor totalizando 18 amostras sendo que 9 corpos de prova foram rompidos aos 7 dias e outros 9 corpos de prova foram rompidos aos 28 dias A Figura 14 apresenta imagens de um ensaio realizado sobre um dos corpos de prova captadas pela câmera Basler e processadas no programa GOM Correlate As imagens contêm uma régua de medição utilizada como escala de referência para as medições do deslocamento vertical dos pontos no interior da superfície de HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 análise Convencionouse o deslocamento vertical negativo como sendo aquele registrado na mesma direção e sentido da aplicação da carga O deslocamento vertical positivo é aquele registrado na mesma direção e sentido oposto à aplicação da carga A escala de cores vai do vermelho escuro pontos com menor deslocamento verti cal até o azul escuro pontos com maior deslocmento vertical Pelas imagens seleciondas podese perceber que o corpo de prova passa por quatro estágios básicos de deformação durante a aplicação da carga i início do carregamento ou estágio de referência ii distribuição da tensão solicitante no interior da peça iii formação de uma banda de microfissuração zona de acumulação de danos e iv microfissuras se reúnem para formar uma fissura maior resultando na ruptura Como resultado o software GOM Correlate fornece o deslocamento vertical em cada instante dos pontos contidos no interior da superficie de análise durante o carregamento 411 Relação carga versus deslocamento no meio do vão Para cada instante coletouse o deslocamento vertical máximo ocorrido dentre os pontos contidos no interior da superfície de análise e exportouse os dados para o MSExcel Em seguida combinouse os resultados de deslocamento vertical em cada instante com as forças regis tradas ao longo do ensaio Foi necessária uma inspeção visual nos arquivos que contêm as imagens registradas pela câmera Basler como forma de eliminar os deslocamentos que ocorreram após o instante de ruptura de cada corpo de prova Na sequência foram elaboradas as curvas de carregamento força F versus deslocamento vertical δ para cada corpo de prova analisado Figuras 15 e 16 Não foi possível traçar a curva de carregamento média Figura 14 Imagens dos estágios de deformação durante o processamento no software GOM correlate Medição do deslo camento vertical dos pontos contidos no interior da superfície de análise durante o carregamento No centro da figura lêse Componente de Superfície dy Figura 15 Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 7 dias da esquerda para a direita temos CPIIIREF CPIII 003OG e CPIII005OG HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 uma vez que o número de imagens retiradas em cada ensaio variou devido aos diferentes instantes de ruptura das amostras As notações 7D e 28D referemse aos corpos de prova rompidos aos 7 e 28 dias de cura respectiva mente Em alguns casos não foi possível representar as curvas de carregamento até a força máxima em função de ruídos decorrentes da acomadação do corpo de prova aos apoios e ao cutelo durante a aplicação da carga Os dados referentes à carga e deslocamento vertical no iésimo estágio de deformação Pi e δi carga máxima do ensaio Pmáx altura média da seção fraturada Wa0 área abaixo das curvas de carregamento e área da seção fraturada AL dos corpos de prova são apresentados no Apêndice B Nos tópicos seguintes são apresentadas as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura calculados para os teores analisados 412 Módulo de elasticidade E GPa Por meio do MSExcel foram extraídos pares de carga e deslocamento vertical no iésimo estágio de deforma ção Pi e δi para um limite de até 30 da carga máxima do ensaio sendo que estes valores foram utilizados na Equação 3 para o cálculo do módulo de elasticidade E Como a carga Pi é distante da carga máxima aplicada no ensaio considerouse a inércia da seção inteira no cálculo A Tabela 7 apresenta o módulo de elasticidade médio obtido para estas três amostras bem como parâ metros estatísticos relacionados Os resultados obtidos para o módulo de elasticidade de cada corpo de prova são apresentados no Apêndice C Realizouse um tratamento estatístico buscandose eliminar os pontos com maior desvio padrão em relação à média amostral outliers sendo que estes pontos também são identificados no Apêndice C Aos 7 dias de cura o CPIII apresentou um ganho de 2375 em seu módulo de elasticidade com a adi ção de 003OG e um ganho de 4957 nesta propriedade com a adição de 005OG Aos 28 dias de cura o CPIII apresentou uma redução de 2219 em seu módulo de elasticidade com a adição de 003OG e um ganho de 1940 nesta propriedade com a adição de 005OG Como se pode ver os melhores resultados foram obtidos com a adição de 005OG tanto aos 7 quanto aos 28 dias Houve um aumento na rigidez da pasta de cimento tanto aos 7 quanto aos 28 dias com a adição de 005OG Observase que os aumentos obtidos no módulo de elasticidade com a adição de OG aos 7 dias são maiores ques os aumentos obtidos nesta propriedade aos 28 dias Isto está relacionado à aceleração da cinética da reação de hidratação do cimento pela adição deste nanomaterial especialmente nas primeiras horas do início da mistura conforme identificado no ensaio de calorimetria realizado por HORTA et al 25 Com uma maior Figura 16 Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 28 dias da esquerda para a direita temos CPIIIREF CPIII003OG e CPIII005OG Tabela 7 Módulo de elasticidade dos teores analisados aos 7 e 28 dias PARÂMETRO CPIIIREF CPIII003OG CPIII005OG 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS E médio GPa 461 789 571 614 690 942 Desvio padrão GPa 028 073 006 011 049 071 Coef de variação 614 924 112 173 708 759 Variação em relação à REF NA1 NA1 2375 2219 4957 1940 1NA não se aplica HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 concentração de silicato de cálcio hidratado no interior da matriz cimentícia as propriedades mecânicas e parâ metros de fratura da pasta são melhoradas principalmente nas primeiras idades de cura Verificase que o coeficiente de variação se manteve abaixo de 10 o que indica que os resultados apre sentam precisão e confiabilidade 413 Resistência à tração na flexão σtf MPa Para o cálculo da resistência à tração na flexão σtf foi utilizada a carga máxima do ensaio Pmáx conforme previsto na Equação 2 Considerouse a inércia da seção fraturada no cálculo A Tabela 8 apresenta a resistência à tração na flexão média obtida para as três amostras bem como parâ metros estatísticos relacionados Os resultados obtidos para a resistência à tração na flexão de cada corpo de prova são apresentados no Apêndice C Realizouse um tratamento estatístico buscandose eliminar os pontos com maior desvio padrão em relação à média amostral outliers sendo que estes pontos também são identifi cados no Apêndice C Aos 7 dias de cura o CPIII apresentou um ganho de 2123 em sua resistência à tração na flexão com a adição de 003OG e um ganho de 3063 nesta propriedade com a adição de 005OG Aos 28 dias de cura o CPIII apresentou um aumento de 1384 em sua resistência à tração com a adição de 003OG e um aumento de 1686 nesta propriedade com a adição de 005OG Como se pode ver os melhores resultados foram obtidos com a adição de 005 OG tanto aos 7 quanto aos 28 dias Observase que os aumentos obtidos na resistência à tração na flexão com a adição de OG aos 7 dias são maiores ques os aumentos obtidos nesta propriedade aos 28 dias Isto está relacionado à aceleração da cinética da reação de hidratação do cimento pela adição deste nanomaterial especialmente nas primeiras horas do início da mistura conforme identificado no ensaio de calorimetria 25 Com uma maior concentração de silicato de cálcio hidratado no interior da matriz cimentícia as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura da pasta são melhoradas principalmente nas primeiras idades de cura Verificase que o coeficiente de variação se manteve abaixo de 10 o que indica que os resultados apresentam precisão e confiabilidade 414 Tenacidade à fratura KIC MPa mm Para o cálculo da tenacidade à fratura KIC foi utilizada a carga máxima do ensaio Pmáx conforme previsto na Equação 4 Considerouse a inércia da seção fraturada no cálculo A Tabela 9 apresenta a tenacidade à fratura média obtida para as três amostras analisadas bem como parâmetros estatísticos relacionados Os resultados obtidos para a tenacidade à fratura de cada corpo de prova são apresentados no Apêndice C Realizouse um tratamento estatístico buscandose eliminar os pontos com Tabela 8 Resistência à tração na flexão dos teores analisados aos 7 e 28 dias PARÂMETRO CPIIIREF CPIII003OG CPIII005OG 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS ótf médio MPa 351 470 426 535 459 549 Desvio padrão MPa 006 006 001 033 001 003 Coef de variação 161 136 017 622 015 046 Variação em relação à REF NA1 NA1 2123 1384 3063 1686 1NA não se aplica Tabela 9 Tenacidade à fratura dos teores analisados aos 7 e 28 dias PARÂMETRO CPIIIREF CPIII003OG CPIII005OG 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS KIC médio MPa mm 1847 2366 2341 2636 2511 3014 Desvio padrão MPa mm 059 208 243 656 057 025 Coef de variação 322 880 1036 2489 228 082 Variação em relação à REF NA1 NA1 2676 1141 3592 2737 1NA não se aplica HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 maior desvio padrão em relação à média amostral outliers sendo que estes pontos também são identificados no Apêndice C Aos 7 dias de cura o CPIII apresentou um aumento de 2676 em sua tenacidade à fratura com a adição de 003OG e um aumento de 3592 nesta propriedade com a adição de 005OG Aos 28 dias de cura o CPIII apresentou um aumento de 1141 em sua tenacidade à fratura com a adição de 003OG e um aumento de 2737 nesta propriedade com a adição de 005OG Como se pode ver os melhores resultados foram obtidos com a adição de 005OG tanto aos 7 quanto aos 28 dias Observase que os aumentos obtidos na tenacidade à fratura com a adição de OG aos 7 dias são maio res ques os aumentos obtidos nesta propriedade aos 28 dias Isto está relacionado à aceleração da cinética da reação de hidratação do cimento pela adição deste nanomaterial especialmente nas primeiras horas do início da mistura conforme identificado no ensaio de calorimetria 25 Com uma maior concentração de silicato de cálcio hidratado no interior da matriz cimentícia as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura da pasta são melhoradas principalmente nas primeiras idades de cura Verificase que com exceção do CPIII003 OG aos 28 dias o coeficiente de variação se manteve próximo ou abaixo de 10 Os resultados de resistência à tração na flexão e tenacidade à fratura apresentam a mesma tendência de crescimento o que já era previsto em função da tenacidade à fratura ser uma grandeza múltipla da resistência à tração na flexão conforme identificado nas Equações 7 e 9 415 Energia de fratura Gf Jmm2 Para o cálculo da energia de fratura utilizouse para cada corpo de prova as curvas de carga versus desloca mento vertical Figuras 15 e 16 desde o início do carregamento até o instante em que foi registrada fotografi camente a sua ruptura Na sequência realizouse o cálculo da área abaixo de cada curva que nada mais é do que o trabalho realizado pela carga externa para atingir a ruptura do corpo de prova Também foi efetuado o cálculo da área da seção fraturada AL dos corpos de prova conforme a Equação 6 Os dados encontrados podem ser visualizados no Apêndice B Por último realizouse a razão da área abaixo de cada curva pela respectiva área da seção trans versal conforme a Equação 5 para obter a energia de fratura Gf Vale destacar que durante o ensaio de flexão em três pontos ocorre a dissipação de energia nas regiões dos apoios e no ponto de transmissão de carga decorrente do processo de danificação do corpo de prova Desta maneira o trabalho realizado pela força externa durante o carregamento não é integralmente convertido em energia de fratura sendo uma parte desta energia consumida na forma de calor Logo os resultados obtidos para a energia de fratura são valores aproximados A Tabela 10 apresenta a energia de fratura média obtida para as três amostras analisadas bem como parâmetros estatísticos relacionados Os resultados obtidos para a energia de fratura de cada corpo de prova são apresentados no Apêndice C Realizouse um tratamento estatístico buscandose eliminar os pontos com maior desvio padrão em relação à média amostral outliers sendo que estes pontos também são identificados no Apêndice C Aos 7 dias de cura O CPIII apresentou um aumento de 2754 em sua energia de fratura com a adição de 003OG e um aumento de 337 nesta propriedade com a adição de 005OG Aos 28 dias de cura O CPIII apresentou uma redução de 1380 em sua energia de fratura com a adição de 003OG e um aumento de 2155 nesta propriedade com a adição de 005OG Como se pode ver o CPIII apresentou um ganho efetivo em sua energia de fratura aos 28 dias apenas com a adição de 005OG Tabela 10 Energia de fratura aos 7 e 28 dias PARÂMETRO CPIIIREF CPIII003OG CPIII005OG 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS 7 DIAS 28 DIAS Gf Jmm2 1425 4481 1818 3863 1473 5447 Desvio padrão ìm 083 059 149 668 258 791 Coef de variação 586 133 821 1730 1750 1453 Variação em relação à REF NA1 NA1 2754 1380 337 2155 1NA não se aplica HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 42 Síntese dos resultados mecânicos A técnica do Digital Image Correlation aplicada ao ensaio de flexão em três pontos fornece resultados de des locamento vertical mais precisos que o método de ensaio convencional Isto se deve ao fato de que no ensaio de flexão convencional a máquina de ensaio gera os resultados a partir do deslocamento vertical do travessão sendo este consideravelmente maior que o deslocamento vertical real do corpo de prova Já o método DIC gera resultados a partir do deslocamento vertical real do corpo de prova a partir do deslocamento de pontos situados no interior da superfície de análise desde que o padrão estocástico de pintura tenha sido realizado com precisão de modo que o software GOM Correlate consiga diferenciar os pontos do interior da superfície de análise da região em seu entorno No ensaio de flexão convencional costumase utilizar um extensômetro do tipo clip gauge fixado na face frontal do corpo de prova o qual permite uma leitura mais precisa do deslocamento vertical descartandose então o resultado de deslocamento vertical gerado pela máquina de ensaio Ainda sim o método DIC é o mais indicado devido ao fato de que neste método são realizadas as leituras da deformação e dos deslocamentos de qualquer ponto situado no interior da superfície de análise e em qualquer momento ao longo do ensaio sendo portanto capaz de gerar um relatório de resultados muito mais completo e preciso além de ser uma técnica não destrutiva já que os deflectômetros utilizados para medição dos deslocamentos são virtualmente alocados Os aumentos de 4957 e 1940 obtidos no módulo de elasticidade aos 7 e 28 dias respectivamente com a adição de 005OG são extremamente positivos A elevação do módulo de elasticidade do concreto torna possível a redução do seu tempo de desfôrma Os aumentos de 3063 e 1686 obtidos na resistência à tração na flexão aos 7 e 28 dias respectiva mente com a adição de 005OG são extremamente positivos Estes resultados indicam que futuramente o OG pode ser utilizado como adição em materiais cimentícios buscandose reduzir a quantidade de barrasfibras de aço na elaboração de estruturas de concreto Os aumentos de 3592 e 2737 obtidos na tenacidade à fratura aos 7 e 28 dias respectivamente com a adição de 005OG indicam que a capacidade de deformação dos corpos de prova sem a ocorrência de ruptura é ampliada para este teor de adição do OG O aumento de 2155 na energia de fratura aos 28 dias com a adição de 005OG também é bastante positivo pois indica que o material cimentício com adição deste teor de OG deve ser submetido a uma maior energia no carregamento para que ocorra a sua ruptura para esta idade de cura No comparativo com os artigos em destaque obtidos na revisão bibliográfica que também utilizaram como meio de dispersão pastas de cimento e empregaram teores de adição iguais a 003OG e 005OG em suas análises observase que os aumentos obtidos no módulo de elasticidade são superiores aos aumentos obti dos por PAN et al 3 único a realizar a análise desta propriedade mecânica em pastas de cimento Os aumentos na resistência à tração na flexão são superiores aos aumentos obtidos por LIU et al 26 e inferiores aos aumen tos obtidos por PAN et al 3 WANG et al 8 27 LV et al 28 e LV et al 29 e Em relação à tenacidade à fratura os aumentos obtidos neste trabalho são superiores aos aumentos obtidos por LIU et al 26 O aumento obtido na energia de fratura com 005OG foi inferior ao resultado obtido por LIU et al 26 único a realizar a análise dos parâmetros de fratura em pastas de cimento Em algumas situações os resulados obtidos para as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura apre sentaram um coeficiente de variação elevado Isto poderia ter sido evitado caso fosse utilizado nas equações em substituição ao deslocamento vertical a variável de deslocamento vertical relativo ou seja a razão entre o desloca mento vertical dos pontos selecionados no interior da superfície de análise e o deslocamento vertical real dos corpos de prova Desta maneira haverá uma menor interferência da geometria do entalhe sobre os resultados podendose inclusive efetuar a comparação entre as curvas de carga versus deslocamento vertical com maior precisão 5 CONCLUSÃO 51 Considerações finais O ensaio de flexão em três pontos com auxílio do método DIC para obtenção dos estágios de deslocamentos verticais da linha de carga foi realizado com sucesso Dentre os teores de adição de OG analisados o teor de adição de 005OG permitiu a obtenção dos melhores resultados aos 28 dias de cura Foram obtidos aumentos de 1940 1686 2737 e 2155 no módulo de elasticidade resistência à tração na flexão tenacidade à fratura e energia de fratura respectivamente Observase que os aumentos obtidos em três das quatro propriedades mecânicas analisadas módulo de elas ticidade resistência à tração na flexão e tenacidade à fratura devido à adição de OG são maiores aos 7 dias do que HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 aos 28 dias Isto está relacionado à aceleração da cinética da reação de hidratação do cimento pela adição deste nano material especialmente nas primeiras horas do início da mistura conforme identificado no ensaio de calorimetria 25 Com uma maior concentração de silicato de cálcio hidratado no interior da matriz cimentícia as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura da pasta são melhoradas principalmente nas primeiras idades de cura Diante dos resultados encontrados podese inferir que o OG tem potencial para ser aplicado na constru ção civil visando a melhoria das propriedades mecânicas e parâmetros de fratura de pastas de cimento 52 Sugestões para pesquisas futuras Como sugestões para pesquisas futuras os autores propõem Avaliar as propriedades mecânicas na fratura de pastas de cimento utilizando outros teores de OG relação ac e aditivos Realizar estudos das propriedades mecânicas de outros materiais cimentícios com adição de OG como arga massas graute e concreto Analisar a influência da adição da solução de OG produzida pelo CTNano sobre a resistência à compressão de compósitos cimentícios Investigar a microestrutura de pastas de cimento com adição de OG com o objetivo de avaliar a influência do OG na cinética da formação dos produtos de hidratação do cimento Avaliar a influência da geometria dos corpos de prova nas propriedades mecânicas e parâmetros de fratura calculados neste trabalho Avaliar as propriedades mecânicas e parâmetros de fratura calculados neste trabalho para outras idades de cura dos corpos de prova Realizar a usinagem de fôrmas com lâminas préfabricadas de aço no centro do vão para possibilitar a mol dagem de corpos de prova já com o entalhe Desta maneira não haverá a necessidade de executar o cisalha mento após a etapa de cura e haverá menor interferência sobre a integridade dos corpos de prova Caracterizar o compósito cimentício com adição de óxido de grafeno de maneira mais ampla explorando outras propriedades do material como durabilidade e comportamento reológico 6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais CEFETMG o Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da Universidade Federal de Minas Gerais CTNanoUFMG o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear da Comissão Nacional da Energia Nuclear CDTNCNEN e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES pelo apoio técnico e financeiro forne cido para o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa 7 BIBLIOGRAFÍA 1 YANG H CUI H TANG W et al A critical review on research progress of graphenecement based composites Composites Part A Applied Science and Manufacturing v 102 pp 273296 2017 doi httpdxdoiorg101016jcompositesa201707019 2 LV S MA Y QIU C et al Effect of graphene oxide nanosheets on microstructure and mechani cal properties of cement composites Construction Building Materials v 49 pp 121127 2013 doi httpdxdoiorg101016jconbuildmat201308022 3 PAN Z HE L QIU L et al Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide cement composite Cement and Concrete Composites v 58 pp 140147 2015 doi httpdxdoiorg101016j cemconcomp201502001 4 SINGH V JOUNG D ZHAI L et al Graphene based materials past present and future Progress in Materials Science v 56 n 8 pp 11781271 2011 doi httpdxdoiorg101016jpmatsci201103003 5 MOHAMMED A SANJAYAN JG DUAN WH et al Incorporating graphene oxide in cement composites a study of transport properties Construction Building Materials v 84 pp 341347 2015 doi httpdxdoiorg101016jconbuildmat201501083 6 LU C LU Z LI Z et al Effect of graphene oxide on the mechanical behavior of strain hardening cementitious composites Construction Building Materials v 120 pp 457464 2016 doi http dxdoiorg101016jconbuildmat201605122 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 7 LIN C WEI W HU YH Catalytic behavior of graphene oxide for cement hydration process Journal of Physics and Chemistry of Solids v 89 pp 128133 2016 doi httpdxdoiorg101016j jpcs201511002 8 WANG Q WANG J LU C et al Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement New Carbon Materials v 30 n 4 pp 349356 Ago 2015 doi http dxdoiorg101016S1872580515601949 9 ZHAO L GUO X GE C et al Mechanical behavior and toughening mechanism of polycarboxylate superplasticizer modified graphene oxide reinforced cement composites Composites Part B Enginee ring v 113 pp 308316 2017 doi httpdxdoiorg101016jcompositesb201701056 10 CALLISTER JUNIOR WD Ciência e engenharia dos materiais uma introdução 7 ed Rio de Janeiro LTC 2008 705 p 11 SHACKELFORD JF Introduction to materials science for engineers 7 ed Upper Saddle River PrenticeHall 2010 588 p 12 FERREIRA LET Elementos da mecânica da fratura aplicada à engenharia estrutural aspectos ana líticos computacionais e experimentais 2 ed Lavras MG Editora UFLA 2019 287 p 13 DANOGLIDIS PA KONSTAGDOUTOS MS GDOUTOS EE et al Strength energy absorption capability and selfsensing properties of multifunctional carbon nanotube reinforced mortars Construction Building Materials v 120 pp 265274 2016 doi httpdxdoiorg101016jconbuildmat201605049 14 PETERS WH RANSON WF Digital imaging techniques in experimental stress analysis Optical Engineering v 21 n 3 pp 427432 1982 doi httpdxdoiorg101117127972925 15 YONEYAMA M Lens distortion correction for digital image correlation by measuring rigid body dis placement Optical Engineering v 45 n 2 pp 023602 2006 doi httpdxdoiorg10111712168411 16 OPTICAL MEASURMENT SOLUTIONS Principle of Digital Image Correlation 2020 httpwww isisyscomprincipleofdigitalimagecorrelation acessado em outubro de 2020 17 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 166972018 Cimento Portland Requisitos Rio de Janeiro ABNT 2018 18 FARIA GS LIMA AM PINHEIRO WA Análise termogravimétrica de óxido de grafeno com dife rentes níveis de oxidação In Anais do 73º Congresso Anual da ABM p 30383046 São Paulo 2018 doi httpdxdoiorg1051511516392X306 19 RAUCCI JS CECEL RT ROMANO RCO et al Effect of mixing method on the minislump spread of Portland cement pastes Revista IBRACON de Estruturas e Materiais v 11 n 2 pp 410431 2018 doi httpdxdoiorg101590s198341952018000200010 20 SOARES PA Caracterização da reologia no estado fresco de pastas de cimento Portland fabricadas com nanotubos de carbono sintetizados diretamente sobre o clínquer Tese de MSc Universidade Fede ral de Minas Gerais Belo Horizonte 2019 198 p 21 PROCELAB Procedimentos e métodos de laboratório destinados à cimentação de poços petrolíferos Rio de Janeiro Petrobras 2005 22 MAKAR JM CHAN GW Growth of cement hydration products on singlewalled carbon nano tubes Journal of the American Ceramic Society v 92 n 6 pp 13031310 2009 doi httpdxdoi org101111j15512916200903055x 23 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 57382003 Concreto Procedimento para Moldagem e Cura de CorposdeProva Rio de Janeiro ABNT 2003 24 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 121422010 Concreto Determinação da resistência à tração na flexão de corpos de prova prismáticos Rio de Janeiro ABNT 2003 25 HORTA RAS PAULA JN CALIXTO JMF Avaliação do perfil térmico e calor de hidratação de pastas de cimento com adição de óxido de grafeno Revista Matéria v 27 n 3 pp 116 2022 26 LIU J FU J NI T et al Fracture toughness improvement of multiwall carbon nanotubesgraphene sheets reinforced cement paste Construction Building Materials v 200 pp 530538 2019 doi httpdxdoiorg101016jconbuildmat201812141 27 WANG M WANG R YAO H et al Study on the three dimensional mechanism of graphene oxide nanosheets modified cement Construction Building Materials v 126 pp 730739 2016 doi http dxdoiorg101016jconbuildmat201609092 HORTA RAS PAULA PN CALIXTO JMF et al revista Matéria v27 n3 2022 28 LV S DENG LJ YANG WQ et al Fabrication of polycarboxylategraphene oxide nanosheet com posites by copolymerization for reinforcing and toughening cement composites Cement and Concrete Composites v 66 pp 19 2016 doi httpdxdoiorg101016jcemconcomp201511007 29 LV S LIU J SUN T et al Effect of GO nanosheets on shapes of cement hydration crystals and their formation process Construction Building Materials v 64 pp 231239 2014 doi httpdxdoi org101016jconbuildmat201404061 MATERIAL SUPLEMENTAR O seguinte material online está disponível para este artigo Apêndice A Determinação da composição das pastas de cimento Apêndice B Resultados do ensaio de flexão em três pontos Apêndice C Parâmetros de fratura obtidos no ensaio de flexão em três pontos Módulo de elasticidade GPa