Estudo das propriedades mecânicas e elásticas de concretos com óxido de grafeno

Abstract

O óxido de grafeno (OG) tem se destacado como um nanomaterial promissor para o aprimoramento das propriedades mecânicas e de durabilidade de matrizes à base de cimento Portland. Contudo, estudos que avaliam sua aplicação em escalas mais próximas da prática, como em concretos, ainda são limitados. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos da incorporação de OG em concretos convencionais, considerando teores de 0,01%, 0,025% e 0,05% em relação à massa de cimento. Inicialmente, investigou-se a dispersão do OG em meio aquoso por diferentes métodos (sonicação e agitação manual) e teores de aditivo superplastificante, por meio da técnica de UV-Vis. Em seguida, avaliou-se a influência dos teores de OG nas propriedades do concreto no estado endurecido, por meio de ensaios de resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral, resistência à tração na flexão, velocidade de pulso ultrassônico (VPU), utilizada como método não destrutivo para avaliação indireta da homogeneidade interna do concreto, módulo de elasticidade dinâmico, absorção de água por capilaridade e por imersão, índice de vazios e massa específica. Os dados foram analisados por estatística descritiva e inferencial, incluindo verificação de pressupostos, análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey. Os resultados de UV-Vis indicaram que o aditivo superplastificante à base de policarboxilato promoveu melhora substancial na dispersão do OG. Observou-se ainda que, embora a sonicação tenha atuado de forma complementar, não houve diferenças substanciais em relação à agitação manual, o que apresenta relevância prática para aplicações em maior escala. Quanto às propriedades mecânicas e de durabilidade, o teor de 0,05% apresentou o desempenho mais favorável, com destaque para as reduções da absorção de água por imersão (17,6%) e por capilaridade (14,1%) em relação ao traço de referência. Também foram observadas tendências de aumento na resistência à tração por compressão diametral (19,0%), na resistência à tração na flexão (16,4%) e na resistência à compressão (2,3%) aos 28 dias. Contudo, para a VPU e o módulo de elasticidade dinâmico, não houve ganhos significativos, indicando que a influência do OG foi limitada e dependente da variável analisada. De modo geral, os resultados indicam que o uso de OG em concretos apresenta potencial, porém sua eficiência está condicionada ao teor incorporado, às condições de dispersão e à forma de incorporação na mistura. Assim, este trabalho contribui para uma compreensão mais realista da aplicação do OG em compósitos cimentícios, evidenciando tanto seu potencial quanto a sensibilidade do sistema às condições de dosagem e preparo.

Abstract: Graphene oxide (GO) has emerged as a promising nanomaterial for improving the mechanical and durability properties of Portland cement-based matrices. However, studies evaluating its application at scales closer to practical conditions, such as in concrete, are still limited. In this context, the present study aimed to evaluate the effects of GO incorporation in conventional concretes, considering contents of 0.01%, 0.025%, and 0.05% by mass of cement. Initially, GO dispersion in an aqueous medium was investigated using different methods, sonication and manual stirring, and different superplasticizer dosages, through UV-Vis spectroscopy. Subsequently, the influence of GO contents on the hardened properties of concrete was evaluated through compressive strength, splitting tensile strength, flexural tensile strength, ultrasonic pulse velocity (UPV), used as a non-destructive method for the indirect assessment of concrete internal homogeneity, dynamic modulus of elasticity, water absorption by capillarity and immersion, void index, and bulk density. The data were analyzed using descriptive and inferential statistics, including assumption checks, analysis of variance (ANOVA), and Tukey?s test. The UV-Vis results indicated that the polycarboxylate-based superplasticizer substantially improved GO dispersion. It was also observed that, although sonication had a complementary effect, no substantial differences were found compared to manual stirring, which is relevant for larger-scale applications. Regarding mechanical and durability properties, the 0.05% content showed the most favorable performance, with reductions in water absorption by immersion (17.6%) and capillarity (14.1%) compared to the reference mixture. Trends of increase were also observed in splitting tensile strength (19.0%), flexural tensile strength (16.4%), and compressive strength (2.3%) at 28 days. However, for UPV and dynamic modulus of elasticity, no significant improvements were observed, indicating that the influence of GO was limited and dependent on the evaluated property. Overall, the results indicate that the use of GO in concrete has potential; however, its efficiency is conditioned by the incorporated content, dispersion conditions, and incorporation method. Thus, this study contributes to a more realistic understanding of GO application in cementitious composites, highlighting both its potential and the sensitivity of the system to dosage and preparation conditions.