Este protocolo descreve a avaliação se a aplicação de dióxido de titânio no concreto melhora suas propriedades físicas, aumentando assim sua resistência aos efeitos de desastres naturais causados por eventos extremos.
Artigo de método
Este protocolo descreve a avaliação se a aplicação de dióxido de titânio no concreto melhora suas propriedades físicas, aumentando assim sua resistência aos efeitos de desastres naturais causados por eventos extremos.
Nas últimas décadas, a ocorrência de eventos extremos se intensificou em diversas regiões do mundo, causando impactos substanciais nas economias, na segurança e na qualidade de vida das populações afetadas. Essa realidade ressalta a necessidade urgente de soluções inovadoras para mitigar tais danos. Dentro dessa estrutura, a nanotecnologia surgiu como um paradigma promissor, com os nanoaditivos se distinguindo como agentes eficazes para aumentar a durabilidade, impermeabilidade e resistência mecânica dos materiais de construção. Nanopartículas como dióxido de titânio (TiO2), nanotubos de carbono (CNTs), sílica, argila e cobre () têm sido associadas a melhorias na durabilidade, relação resistência-peso, estabilidade e resiliência sísmica. A integração desses nanomateriais promove o adensamento da matriz do concreto por meio da redução de vazios e capilares, potencializando a impermeabilização e dificultando a infiltração de substâncias deletérias. O presente estudo oferece uma investigação experimental complementada por uma revisão abrangente da literatura, incluindo simulações de absorção de água e avaliações da integridade da superfície em materiais tratados e não tratados. O objetivo é avaliar as contribuições dos nanoaditivos para a segurança, durabilidade e sustentabilidade diante dos desafios impostos pelas mudanças climáticas. Os resultados indicam que uma adição de 1% de nanoTiO2 produz a maior resistência mecânica, enquanto concentrações mais altas tendem a reduzir os benefícios devido à aglomeração de partículas. Essa descoberta ressalta a importância de otimizar o conteúdo de nanopartículas para aumentar a resiliência do concreto contra desastres naturais, contribuindo para práticas de construção sustentáveis. A comparação com aditivos à base de cobre revela que, apesar de algum ganho relativo de resistência ao longo do tempo, as formulações de cobre ficam aquém do desempenho mecânico, destacando o nanoTiO2 como um agente mais promissor para melhorar a durabilidade do concreto em ambientes propensos a desastres. Dada a crescente frequência de desastres ambientais, a adaptação da construção civil por meio da incorporação sustentável de nanomateriais requer uma consideração cuidadosa dos processos de síntese, estabilidade de longo prazo e potenciais impactos ecológicos associados às interações de nanopartículas com componentes ambientais bióticos e abióticos.
Desastres são eventos extremos definidos pela ocorrência de fenômenos naturais capazes de representar riscos à sociedade, como ilustrado por inundações, deslizamentos de terra, terremotos e outros eventos semelhantes, que também podem ser influenciados por fatores antrópicos1. Na esteira das mudanças climáticas ocorridas em 2024, nações africanas como o Quênia, juntamente com países asiáticos, incluindo Indonésia e Afeganistão, sofreram graves inundações, resultando em centenas de mortes e milhares de pessoas desabrigadas2. De 1998 a 2017, as inundações afetaram mais de dois bilhões de pessoas em todo o mundo3. De acordo com Marengo et al., entre 2013 e 2022, mais de 2,2 milhões de domicílios no Brasil foram danificados, impactando mais de 4,2 milhões de pessoas em 2.640 municípios. As inundações persistem devido a uma combinação de fatores naturais, sociais e climáticos e geraram perdas da ordem de US$ 10 bilhões4.
Dada a crescente gravidade e o risco generalizado desses eventos nos últimos anos, pesquisadores e profissionais têm buscado estratégias de gestão e novas tecnologias voltadas para o fomento de comunidades resilientes, em paralelo com os avanços da indústria em direção a uma maior sustentabilidade 5,6. Entre os materiais promissores para aplicações de engenharia civil destinadas a aumentar a resiliência a desastres estão as nanopartículas de dióxido de titânio (nanoTiO2), que demonstraram inúmeras vantagens para materiais de construção essenciais, incluindo concreto 7,8.
O uso de nanomateriais na indústria da construção é agora difundido em uma variedade de aplicações. Eles são empregados em tintas e revestimentos para aumentar a resistência à degradação UV e ao ataque de substâncias agressivas. Esses materiais contribuem para maior durabilidade, permeabilidade reduzida, melhor isolamento térmico e maior resistência ao fogo. Por exemplo, quando incorporado ao asfalto, o TiO2 interage com gases poluentes, convertendo-os em compostos menos nocivos. Aplicado ao vidro, o TiO2 pode tornar a superfície autolimpante, pois a camada de óxido degrada as moléculas orgânicas e facilita a remoção de poeira inorgânica. A radiação ultravioleta interage com a camada de vidro autolimpante, quebrando ainda mais as moléculas e removendo a poeira orgânica. O desenvolvimento de novos materiais de construção é essencial para tornar as estruturas mais resilientes aos estresses ambientais, reduzindo assim os impactos de desastres e aumentando a segurança.
O dióxido de titânio, conhecido por sua brancura e estabilidade, alcançou ampla visibilidade pública pela primeira vez na década de 1970, principalmente como pigmento em concreto e outros materiais de construção9. Durante esse período, o TiO2 foi empregado para criar acabamentos duráveis e de alta qualidade em superfícies externas. A partir da década de 1990, uma nova direção surgiu com a descoberta de suas propriedades fotocatalíticas, que expandiram acentuadamente as aplicações do TiO2 no setor de construção10.
Para entender completamente a relevância e aplicabilidade do TiO2 na construção civil, é essencial delinear suas propriedades e relacioná-las a benefícios práticos, como resistência à flexão, tração e compressão, juntamente com indicadores de durabilidade, como resistividade elétrica, permeabilidade e resistência ao ataque de sulfato, carbonatação e ciclos de congelamento e descongelamento. Resultados experimentais relatados por Ali Nazari et al. indicam que a resistência à flexão do concreto aumenta com a adição de nanopartículas de TiO2 até uma concentração de 3,0%. Embora representem vantagens diretas, as propriedades fotocatalíticas e bactericidas do TiO2 também devem ser consideradas como benefícios econômicos significativos a longo prazo11.
A capacidade de materiais avançados de manter a estabilidade na presença de fatores ambientais externos, incluindo cenários catastróficos como intemperismo, mudanças climáticas (por exemplo, aumento dos níveis de CO2) e inundações, é altamente pertinente hoje. No entanto, a adoção generalizada só é viável se a produção e a aplicação forem ecologicamente sustentáveis 12,13,14. Essa preocupação é particularmente saliente, uma vez que a fabricação de cimento é responsável por aproximadamente 5% a 8% das emissões globais de CO2, uma parcela substancial da pegada do setor de construção civil, enquanto o cimento continua sendo seu esteio e o consumo per capita global é de cerca de 20 bilhões de toneladas métricas 15,16,17,18,19,20,21,22.
Nesse contexto, o presente manuscrito relata o desenvolvimento e a aplicação de um procedimento experimental para avaliar as propriedades distintivas do nanoTiO2, com ênfase em parâmetros como a resistência mecânica do concreto tratado. O estudo é sustentado por uma revisão da literatura focada que examina os benefícios potenciais dessas nanopartículas, considerações regulatórias, produção sustentável e sua relevância no contexto de cenários catastróficos.
Aspectos do dióxido de titânio no concreto
As nanopartículas de dióxido de titânio (nanoTiO2) abrangem tamanhos de 1 a 100 nanômetros e normalmente assumem morfologias esféricas ou elipsoidais. Suas dimensões em nanoescala conferem uma área de superfície marcadamente aumentada, o que aumenta substancialmente sua reatividade23. Essas nanopartículas têm ganhado destaque no campo dos compósitos à base de cimento devido às suas características distintas e diversas aplicações 24,25,26. O NanoTiO2 surgiu como um componente versátil em formulações cimentícias, exibindo propriedades que o tornam adequado para uma ampla gama de usos industriais 11,16,18,20.
Este nanomaterial é empregado por vários motivos, incluindo propriedades químicas favoráveis, baixa toxicidade, custo-benefício, características anticorrosivas e capacidades fotocatalíticas27,28. O NanoTiO2 pode aumentar a resistência do concreto ao manuseio, um fator amplificado pela fotocatálise que ocorre sob luz ultravioleta (UV). Possui a capacidade de decompor substâncias orgânicas - como poluentes, sujeira e microrganismos - presentes no concreto29. Além disso, o nanoTiO2 pode gerar radicais livres altamente reativos, conferindo propriedades de limpeza à superfície, além de proteger o concreto dos danos causados por agentes atmosféricos que aceleram o desgaste, como os óxidos de nitrogênio30.
As partículas de NanoTiO2 podem assumir várias formas cristalinas - rutilo, anatásio e brookita - cada uma com propriedades distintas. Anatase e rutilo são os polimorfos mais comuns do TiO2, enquanto as propriedades da brookita ainda não são totalmente compreendidas, o que representa desafios para a aplicação industrial 31,32,33,34. Devido às propriedades fotocatalíticas do TiO2, o anatásio é amplamente utilizado em sistemas de purificação de água e ar, onde é altamente eficaz na decomposição de impurezas orgânicas e inorgânicas. O rutilo é amplamente utilizado nas indústrias têxtil, de plásticos e de tintas, e a forma de rutilo também é amplamente empregada em protetores solares e outros cosméticos devido às suas capacidades de bloqueio de UV35,36.
As nanopartículas de dióxido de titânio (nanoTiO2) oferecem aplicações versáteis em materiais de construção, como o betão, melhorando o desempenho e introduzindo novas funcionalidades. Entre seus atributos notáveis estão as propriedades antimicrobianas e autolimpantes, que prometem mitigar a poluição do ar urbano por meio da transformação de gases poluentes 37,38,39. Quando exposto à luz solar, o nanoTiO2 pode decompor substâncias orgânicas em água e dióxido de carbono, com os subprodutos resultantes subsequentemente removidos pela água40.
Além disso, a atividade pozolânica do nanoTiO2 na interface externa do concreto pode aumentar a durabilidade, embora possa estar associada ao aumento da absorção de água e possíveis implicações para a trabalhabilidade41. Também é importante observar que as partículas de nanoTiO2 podem se aglomerar dentro da matriz cimentícia, potencialmente prejudicando o desempenho 42,43,44. Em relação à degradação do gás, o concreto que incorpora TiO2, por exemplo, em aplicações em pavimentos, tem o potencial de reduzir os níveis troposféricosde O 3 45.
As capacidades fotocatalíticas do TiO2 permitem a formação de radicais hidroxila (OH) e íons superóxido (O2-) na presença de água sob irradiação ultravioleta. Essas espécies altamente reativas oxidam e decompõem sujeira e contaminantes inorgânicos. A ação fotocatalítica do TiO2 também reduz o ângulo de contato da água nas superfícies, melhorando o desempenho da autolimpeza46. Essa propriedade de autolimpeza contribui para reduzir as impurezas transportadas pelo ar, reduzindo potencialmente as concentrações de poluentes associadas aos riscos climáticos causados pelos gases de efeito estufa.
O NanoTiO2 também contribui para o aumento da resistência à flexão e à compressão dos materiais. Em termos de resistência à compressão, o nanoTiO2 reduz a porosidade, refina a estrutura dos poros, densifica a matriz e promove a hidratação. No entanto, alcançar esses benefícios requer controle cuidadoso da carga de partículas e homogeneização eficaz para evitar aglomeração e formação de zonas fracas que poderiam iniciar rachaduras47. O TiO2 atua como um enchimento que densifica o compósito cimentício, reduzindo assim a porosidade. Este resultado está ligado a (i) a aceleração da formação de gel C-S-H, (ii) uma redução no espaço disponível para o desenvolvimento de Ca(OH)2 , produzindo cristalitos menores, e (iii) a criação de uma microestrutura mais homogênea com porosidade reduzida. Adições adequadamente calibradas de TiO2 também podem aumentar a resistência à flexão de compósitos de cimento48.
O NanoTiO2 demonstrou aumentar significativamente a durabilidade dos compósitos cimentícios, reduzindo a porosidade e a permeabilidade à água e conferindo proteção contra ataques químicos e fatores ambientais, como radiação ultravioleta. Esse benefício, no entanto, depende da dispersão adequada das nanopartículas, uma vez que sua alta energia superficial e interações de van der Waals em nanoescala tendem a promover aglomeração37. Quando devidamente homogeneizada, a incorporação de nanoTiO2 melhora a impermeabilidade, resistividade elétrica e resistência a ciclos de congelamento e descongelamento e ataque de sulfato, ressaltando seu potencial de construção destinada a resistir a eventos catastróficos. No entanto, em altas concentrações, essas vantagens podem ser diminuídas ou mesmo revertidas49,50.
No contexto das aplicações do TiO2 na construção civil para cenários extremos, como inundações, tempestades e temperaturas extremas, é essencial equilibrar os benefícios do nanoTiO2 com os riscos potenciais associados ao seu uso. Por exemplo, as propriedades fotocatalíticas que podem melhorar a qualidade do ar urbano e auxiliar na limpeza e remediação de resíduos após uma catástrofe devem ser ponderadas em relação a possíveis riscos de inalação e toxicidade pulmonar 51,52,53.
Os aditivos à base de cobre melhoram a impermeabilização e são de baixo custo e facilmente manipuláveis. O dióxido de titânio nanométrico produz concreto repelente de água e maior resistência à compressão. Atualmente usado em larga escala, o TiO2 não se destina a usuários finais, mas tem potencial para construção futura. O teste de resistência à compressão compara os resultados de amostras com várias misturas para analisar as vantagens e desvantagens dos aditivos de cobre e dióxido de titânio.
O concreto impregnado com nanoTiO2 apresenta maior refletância solar (maior albedo), contribuindo para temperaturas ambientes mais amenas, mitigando o efeito de ilha de calor urbano e, praticamente, reduzindo a temperatura dos edifícios e gerando economia de energia. Esse benefício se estende à redução do consumo de produtos de limpeza54,55.
Atributos como opacidade, durabilidade, potencial antibacteriano, resistência aos raios UV e capacidade de acomodar matérias-primas alternativas no concreto - reduzindo assim a dependência de cimento e agregados - sinalizam fortes incentivos para a implantação do nanoTiO2. Essas perspectivas são complementadas pelo potencial de melhorias em telhados e superfícies verdes que promovam uma drenagem mais eficiente das águas pluviais 10,56,57,58.
Sobre a longevidade e durabilidade do concreto que incorpora nanoTiO2, estudos contemporâneos indicam maior resistência à radiação ultravioleta, bem como maior resiliência contra ataques químicos e intempéries59. Essas melhorias geram benefícios econômicos diretos, reduzindo a frequência de reparos e substituições, diminuindo assim o consumo de material e o desperdício ao longo do tempo. Além dessas vantagens financeiras imediatas, o uso do nanoTiO2 também oferece economias indiretas relacionadas à produção, transporte e descarte de concreto, contribuindo para uma redução da pegada de carbono associada ao seu ciclo de vida33,60.
Dadas as implicações ambientais dos processos de sulfato e cloreto usados para extrair ilmenita e rutilo, o processo de cloreto é considerado a opção menos prejudicial. Essa rota emprega cloro gasoso para converter rutilo em TiCl4, que é posteriormente oxidado em TiO2, produzindo menos subprodutos deletérios do que o processo de sulfato59. Os produtos contendo TiO2 produzem resíduos estáveis e não lixiviantes no final de seu ciclo de vida, apresentando assim um menor risco ambiental. Esse perfil ambiental complementa a maior resistência e durabilidade dos materiais, particularmente sob condições catastróficas, ressaltando o valor das avaliações experimentais no avanço das tecnologias de construção.
Um estudo realizado por Mohajerani et al. demonstra que as propriedades do concreto variam com os nanomateriais aplicados61. Nanopartículas de sílica, titânio, carbono, ferro e alumínio são introduzidas no concreto para reforçar a resistência mecânica, promover uma hidratação rápida e aprimorada, induzir um maior grau de hidratação, conferir recursos de autolimpeza, melhorar a durabilidade mecânica, evitar rachaduras, aumentar a resistência à compressão e aumentar a resistência à abrasão. Esses benefícios são altamente desejáveis em materiais de construção, contribuindo para a maior resiliência das estruturas contra desastres naturais.
Portanto, o objetivo deste trabalho é validar, através do ensaio de tração por fendilhamento em corpos de prova cilíndricos, o aumento da resistência mecânica em concreto obtido pela incorporação de nanopartículas de dióxido de titânio na mistura. Esta pesquisa visa avançar no desenvolvimento de materiais mais resilientes, particularmente no contexto de desastres naturais onde as estruturas de concreto são submetidas a condições extremas e exigem durabilidade e desempenho superiores.
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A base metodológica empregada é o ensaio brasileiro, que determina a resistência à tração indireta (divisão) por meio da seção diametral de corpos de prova cilíndricos carregados verticalmente. Este procedimento, desenvolvido pelo Professor Lobo Carneiro em 1943 para materiais cimentícios, envolve a aplicação de duas forças de compressão concentradas e diametralmente opostas a um cilindro, gerando tensões de tração uniformes perpendiculares ao diâmetro ao longo da seção de teste62.
O teste empregou cinco grupos, designados A, B, C, D e E, correspondendo respectivamente: um grupo controle; concreto com 1% de NanoTiO2; concreto com 2% de NanoTiO2; concreto com 3% de NanoTiO2; e concreto com aditivo plastificante à base de cobre a 3%. Cada grupo foi subdividido em três subgrupos de tempo de cura: 7 dias (1), 14 dias (2) e 28 dias (3). Assim, o estudo compreende um total de quinze espécimes, rotulados como A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 e E1-E3. A Figura 1 mostra o espécime usado neste estudo.
1. Preparação da amostra
2. Processo de cura
3. Teste de resistência à compressão
NOTA: Realize o teste de resistência à compressão usando a Máquina de Ensaio de Concreto (Prensa), com faixa nominal e calibrada de 0-100 toneladas. Calibrar o equipamento por medição indireta, relacionando a pressão com a área do pistão, utilizando um manômetro digital e um paquímetro digital. Zere o equipamento e garanta o alinhamento antes do teste.
4. Eliminação de resíduos de materiais
OBS: Todos os resíduos gerados durante o processo de ensaio devem ser descartados de acordo com a ABNT NBR 10004 e ABNT NBR 15116, bem como com a orientação das autoridades locais responsáveis pelas normas e padrões de proteção ambiental, incluindo 68,69,70.
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Os valores obtidos para cada amostra no ensaio de resistência à compressão são apresentados na Tabela 2 e na Figura 3. A Tabela 2 indica a identificação da amostra, seu tempo de cura e a carga máxima suportada em MPa. Na Figura 2, é possível visualizar um subconjunto de amostras após o teste de compressão. Os valores registrados são apresentados na Figura 3.
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Na análise dos resultados, que são ilustrados graficamente na Figura 3, fica evidente que as amostras contendo um aditivo plástico à base de cobre apresentaram a menor resistência à compressão. Esses valores são inferiores aos do grupo controle, que foi preparado sem nenhum aditivo. A Figura 3 mostra ainda que, após 28 dias de cura, os corpos de prova alcançam o melhor desempenho no teste de compressão.
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Os autores declaram não ter interesses financeiros ou materiais relacionados à pesquisa descrita neste artigo.
Agradecemos à empresa RAID Tecnologia e Construção pelo tempo e equipamentos fornecidos para a realização do ensaio de resistência para modelagem de corpos de prova de concreto, acompanhados do cuidado e suporte técnico especializado na área.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Amostras de teste de concreto | JCRB | Bloco 20 | Duas unidades foram usadas para o teste |
| Escala analítica | Shimadzu | ATX224R | |
| Equipamento de Teste de Resistência à Compressão | SoloTest | 1504100 | |
| Aditivo plastificante | NovaTintas | NovaLiga | |
| Escala de precisão | Sartorius | 3862 MP8-1 | |
| Dióxido de Titânio R110 | FRAC Chemical | FR10ZZ2400905RT | Pigmento de dióxido de titânio rutilo |
| Purificador ultrassônico | Cristó foli | 2.5L |
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