Aplicação de nanotubos de carbono funcionalizados com silano em matriz geopolimérica

Abstract

O aumento das emissões de CO2 provenientes do processo de calcinação do cimento Portland tem gerado preocupações ambientais, destacando a necessidade de se buscar alternativas mais sustentáveis na construção civil. Nesse contexto, os geopolímeros surgem como uma alternativa viável, oferecendo baixo consumo de energia e flexibilidade no uso de matériasprimas, além de serem ativados por álcalis e derivados de aluminossilicatos. Este estudo teve como objetivo principal investigar a eficácia da funcionalização de nanotubos de carbono (NTC) com silano (APTES) em uma matriz geopolimérica à base de metacaulim. O foco estava na melhoria das propriedades físicas, químicas, mecânicas, reológicas e microestruturais desses materiais. Para atingir o objetivo proposto, foram elaboradas pastas geopoliméricas com diferentes composições: uma de referência, uma contendo 0,1% de NTC e outra contendo 0,1% de NTC funcionalizado com silano. A caracterização do precursor, metacaulim, foi realizada para compreender suas propriedades. As propriedades das pastas nos estados fresco e endurecido foram analisadas por meio de ensaios de mini-slump, reometria rotacional, calorimetria isotérmica, resistência à compressão e à tração na flexão, absorção e índices de vazios, módulo de elasticidade dinâmico, microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX) e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados mostraram que a adição de NTC melhorou as propriedades reológicas das pastas, com uma possível diminuição na incorporação de ar. Houve também uma redução na tensão de escoamento e um aumento na viscosidade plástica com a funcionalização dos NTC. A análise calorimétrica indicou uma modificação na cinética de reação do geopolímero com a adição de NTC, e os ensaios mecânicos revelaram aumentos na resistência à compressão. No entanto, não foram observadas melhorias significativas na resistência à tração na flexão. Embora a adição de NTC tenha proporcionado melhorias em algumas propriedades dos geopolímeros, como a resistência à compressão e as propriedades reológicas, não foram evidenciadas melhorias substanciais em todas as propriedades avaliadas. Portanto, conclui-se que a incorporação de NTC, mesmo funcionalizados ou tratados com silano, não resultou em melhorias significativas nas propriedades do geopolímero de metacaulim, conforme evidenciado pelos ensaios conduzidos. No entanto, são necessárias pesquisas adicionais para compreender melhor o impacto da adição de NTC em matrizes geopoliméricas.

Abstract: The increase in CO2 emissions from the calcination process of Portland cement has raised environmental concerns, highlighting the need for more sustainable alternatives in civil construction. In this context, geopolymers emerge as a viable alternative, offering low energy consumption, flexibility in raw material use, and being derived from alkali-activated aluminosilicates. This study investigated the effectiveness of carbon nanotube (CNT) functionalization with silane (APTES) in a metakaolin-based geopolymer matrix, focusing on improving its physical, chemical, mechanical, rheological, and microstructural properties. Geopolymeric pastes were prepared with three compositions: a reference, one with 0.1% CNT, and another with 0.1% silane-functionalized CNT. The initial characterization of metakaolin revealed an average particle size of 6.99 µm, with a predominance of silica and alumina, essential for geopolymerization. In both fresh and hardened states, the pastes exhibited typical pseudoplastic rheological behavior, with CNT addition resulting in reduced yield stress and increased plastic viscosity. Isothermal calorimetry indicated modifications in the geopolymer reaction kinetics with the presence of CNT. In terms of mechanical strength, an increase in compressive strength was observed, but no significant improvements were noted in flexural tensile strength. Microstructural analyses (SEM, XRD, and FTIR) did not reveal substantial changes in the crystalline structure of the geopolymers due to CNT addition. Despite some improvements observed in rheological properties and compressive strength, the addition of CNT, even when functionalized with silane, did not result in significant enhancements across all evaluated properties. It is concluded that CNT incorporation did not provide significant benefits to the metakaolin-based geopolymer, and further studies are necessary to better understand the impact of these nanomaterials in geopolymer matrices.