Avaliação das propriedades mecânicas na fratura de pastas de cimento com adição de óxido de grafeno

Horta, Ricardo Augusto dos Santos; de Paula, Júnia Nunes; Calixto, José Márcio Fonseca

doi:10.1590/1517-7076-RMAT-2022-0142

Ricardo Augusto dos Santos Horta e-mail: ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, calixto@ufmg.br

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. R. Raymundo Mattoso, 900, Santa Rita, 35790-000, Curvelo, MG, Brasil.

Autor Responsável: Ricardo Augusto dos Santos Horta

http://orcid.org/0000-0002-2552-0972

Júnia Nunes de Paula e-mail: ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, calixto@ufmg.br

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas, 7675, Nova Gameleira, 30510-000, Belo Horizonte, MG, Brasil.

José Márcio Fonseca Calixto e-mail: ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, calixto@ufmg.br

Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Pres. Antônio Carlos, 6627, Pampulha, 31270-901, Belo Horizonte, MG, Brasil

e-mail: ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, calixto@ufmg.br

Autor Responsável: Ricardo Augusto dos Santos Horta

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Figura 1.
Método de Hummers para a obtenção de OG [⁴[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. 1178–1271, 2011. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.03.003.
http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011... ]).

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Figura 2.
Estrutura molecular do óxido de grafeno (A: Grupo epoxílico, B: Grupo hidroxílico, C: Grupo carboxílico) [²[2] LV, S., MA, Y., QIU, C., et al., “Effect of graphene oxide nanosheets on microstructure and mechanical properties of cement composites.”, Construction & Building Materials, v. 49, pp. 121–127, 2013. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.08.022.
http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.... ]).

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Figura 3.
Possível mecanismo de ação do OG sobre o processo de hidratação do cimento [²[2] LV, S., MA, Y., QIU, C., et al., “Effect of graphene oxide nanosheets on microstructure and mechanical properties of cement composites.”, Construction & Building Materials, v. 49, pp. 121–127, 2013. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.08.022.
http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.... ]).

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Figura 4.
Ensaio de flexão em três pontos à esquerda; ensaio de flexão em quatro pontos à direita [¹⁰[10] CALLISTER JUNIOR, W.D., Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução, 7 ed., Rio de Janeiro, LTC, 2008, 705 p.]).

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Figura 5.
Curva de carregamento (P x δ) [¹³[13] DANOGLIDIS, P.A., KONSTA-GDOUTOS, M.S., GDOUTOS, E.E., et al., “Strength, energy absorption capability and self-sensing properties of multifunctional carbon nanotube reinforced mortars.”, Construction & Building Materials, v. 120, pp. 265–274, 2016. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.05.049.
http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.... ]).

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Figura 6.
Corpo de prova com entalhe à esquerda e área do ligamento (AL) à direita [¹²[12] FERREIRA, L.E.T., Elementos da mecânica da fratura aplicada à engenharia estrutural: aspectos analíticos, computacionais e experimentais, 2 ed., Lavras (MG), Editora UFLA, 2019, 287 p.].

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Figura 7.
Ilustração da detecção de subconjuntos coincidentes de pixels para cálculo do deslocamento [¹⁶[16] OPTICAL MEASURMENT SOLUTIONS, Principle of Digital Image Correlation, 2020, http://www.isi-sys.com/principle-of-digital-image-correlation/, acessado em outubro de 2020.
http://www.isi-sys.com/principle-of-digi... ].

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Figura 8.
Análise termogravimétrica (TGA) do OG sólido.

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Figura 9.
Microscopia eletrônica de transmissão (MET), obtida pela deposição da dispersão de OG em grades de cobre/carbono. Escalas de magnitude de 5 µm (Figura 9a) e 10 nm (Figura 9b).

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Figura 10.
Consistômetro atmosférico utilizado na homogeneização das pastas: à esquerda o perfil do equipamento e à direita o painel de controle.

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Figura 11.
Ensaio de flexão em três pontos, à esquerda. Realização de imagens para aplicação do método DIC, à direita.

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Figura 12.
Posicionamento da webcam sobre o monitor, à esquerda. Indicador digital de força, à direita.

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Figura 13.
Ponto de faceta criado para a medição do deslocamento vertical sofrido pelo corpo de prova durante o carregamento

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Figura 14.
Imagens dos estágios de deformação durante o processamento no software GOM correlate. Medição do deslocamento vertical dos pontos contidos no interior da superfície de análise durante o carregamento. No centro da figura lê-se: ‘Componente de Superfície dy’.

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Figura 15.
Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 7 dias (da esquerda para a direita, temos: CP-III-REF, CP-III–0,03%OG e CP-III-0,05%OG).

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Figura 16.
Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 28 dias (da esquerda para a direita, temos: CP-III-REF, CP-III-0,03%OG e CP-III-0,05%OG).

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Figura 15.
Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 7 dias (da esquerda para a direita, temos: CP-III-REF, CP-III–0,03%OG e CP-III-0,05%OG).

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Figura 16.
Curvas de carregamento obtidas no ensaio aos 28 dias (da esquerda para a direita, temos: CP-III-REF, CP-III-0,03%OG e CP-III-0,05%OG).

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Tabela 1.
Coeficientes para o cálculo da função adimensional de dependência f(α) [¹²[12] FERREIRA, L.E.T., Elementos da mecânica da fratura aplicada à engenharia estrutural: aspectos analíticos, computacionais e experimentais, 2 ed., Lavras (MG), Editora UFLA, 2019, 287 p.].

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Tabela 2.
Coeficientes para o cálculo da função adimensional de dependência v(α) [¹²[12] FERREIRA, L.E.T., Elementos da mecânica da fratura aplicada à engenharia estrutural: aspectos analíticos, computacionais e experimentais, 2 ed., Lavras (MG), Editora UFLA, 2019, 287 p.].

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Tabela 3.
Resultados dos ensaios físicos e químicos do cimento e limites normativos.

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Tabela 4.
Medições do pH da pasta de cimento de referência e da pasta de cimento com adição de OG.

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Tabela 5.
Composição das pastas de cimento.

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Tabela 6.
Dados técnicos do ensaio de flexão em três pontos realizado.

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Tabela 7.
Módulo de elasticidade dos teores analisados aos 7 e 28 dias.

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Tabela 8.
Resistência à tração na flexão dos teores analisados aos 7 e 28 dias.

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Tabela 9.
Tenacidade à fratura dos teores analisados aos 7 e 28 dias.

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Tabela 10.
Energia de fratura aos 7 e 28 dias.

(Equação 1)

(Equação 2)

(Equação 3)

(Equação 4)

(Equação 5)

(Equação 6)

(Equação 7)

S/W	A	B	C	D	E	F
1	1,3784151	–2,8339910	6,3744746	–2,9002261	–5,8053333	12,7549070
2	1,0244559	–1,4050530	4,4289807	0,0180668	–8,7581504	13,9282700
3	1,0444201	–1,2557771	4,0220222	1,3056905	–11,1403750	15,6007550
6	1,0771384	–1,0921176	3,5032921	2,5230498	–12,8730870	16,6358800
9	1,0843312	–0,9797652	3,0458388	3,4258041	–13,6221960	16,7970730
12	1,0952824	–1,0798027	3,9783769	0,0532106	–8,2047085	13,5719790
15	1,0985129	–1,0667642	3,9535844	0,0330708	–8,0664448	13,4576870

S/W	A	B	C	D	E	F
1	8,5333030	6,9221060	−41,1207960	260,6611200	−529,7530500	465,1061600
2	2,1646138	3,5621812	−21,8987350	141,7857100	−291,6215200	263,9509100
3	1,3866763	2,4347404	−14,6668020	98,2475290	−200,8130900	182,1020400
6	1,0502334	1,2447670	−7,2716567	50,9161060	−103,5411300	94,0545970
9	1,0090549	0,8385951	−4,8571279	34,4491510	−69,9004690	63,4776140
12	0,9987721	0,6293423	−3,6192397	25,9222000	−52,5719460	47,7850660
15	0,9954243	0,5043539	−2,8929718	20,8259240	−42,2342320	38,3965440

PARÂMETROS	CP-III-RS-40
PARÂMETROS	CIMENTO UTILIZADO	LIMITES NBR 16.697/2018 [31]
Data de ensacamento	13/08/2016	–
Massa específica (g/cm³)	3,03	–
Finura Blaine (cm²/g)	4642	–
Retido na peneira nº 200 (#75ìm) (%)	0,467	≤8,0
Início de pega (min)	180	≥60
Fim de pega (min)	250	≤720
Água de consistência (%)	29,38	–
SO₃ (%)	2,38	≤4,5
MgO (%)	3,43	–
SiO₂ (%)	24,09	–
Al₂O₃ (%)	6,36	–
Fe₂O₃ (%)	3,30	–
CaO (%)	54,81	–
Na₂O (%)	0,14	–
K₂O (%)	0,67	–
Resíduo insolúvel (%)	1,40	≤5,0

AMOSTRA	MEDIDAS DO pH NOS INSTANTES DE TEMPO
AMOSTRA	0 min	15 min	30 min	45 min	60 min
CP-III-REF	12–13	12–13	12–13	12–13	12–13
CP-III-0,03%OG	12–13	12	12	12	12–13

IDENTIFICAÇÃO	CIMENTO (g)	SOLUÇÃO DE OG 5,0g/L (mL)	ÁGUA (mL)
CP-III-REF	720	0	360
CP-III-0,03%OG	720	43,20	316,80
CP-III-0,05%OG	720	72	288

CÉLULA DE CARGA	VÃO ÚTIL	VELOCIDADE DO ENSAIO	Nº de IMAGENS	INTERVALO DE CAPTURA	FORÇA NA PRÉ-CARGA	TEMPO DE PRÉ-CARGA
500 N	120 mm	0,025 mm/min	500	250 ms	10 N	2 min

PARÂMETRO	CP-III-REF		CP-III-0,03%OG		CP-III-0,05%OG
PARÂMETRO	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS
E médio (GPa)	4,61	7,89	5,71	6,14	6,90	9,42
Desvio padrão (GPa)	0,28	0,73	0,06	0,11	0,49	0,71
Coef. de variação (%)	6,14	9,24	1,12	1,73	7,08	7,59
Variação em relação à REF (%)	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	23,75	–22,19	49,57	19,40

PARÂMETRO	CP-III-REF		CP-III-0,03%OG		CP-III-0,05%OG
PARÂMETRO	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS
ó_t,f médio (MPa)	3,51	4,70	4,26	5,35	4,59	5,49
Desvio padrão (MPa)	0,06	0,06	0,01	0,33	0,01	0,03
Coef. de variação (%)	1,61	1,36	0,17	6,22	0,15	0,46
Variação em relação à REF (%)	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	21,23	13,84	30,63	16,86

PARÂMETRO	CP-III-REF		CP-III-0,03%OG		CP-III-0,05%OG
PARÂMETRO	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS
K_IC médio ( $MPa \sqrt{mm}$ )	18,47	23,66	23,41	26,36	25,11	30,14
Desvio padrão ( $MPa \sqrt{mm}$ )	0,59	2,08	2,43	6,56	0,57	0,25
Coef. de variação (%)	3,22	8,80	10,36	24,89	2,28	0,82
Variação em relação à REF (%)	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	26,76	11,41	35,92	27,37

PARÂMETRO	CP-III-REF		CP-III-0,03%OG		CP-III-0,05%OG
PARÂMETRO	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS	7 DIAS	28 DIAS
G_f (J/mm²)	14,25	44,81	18,18	38,63	14,73	54,47
Desvio padrão (ìm)	0,83	0,59	1,49	6,68	2,58	7,91
Coef. de variação (%)	5,86	1,33	8,21	17,30	17,50	14,53
Variação em relação à REF (%)	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	N.A¹ 1 N.A: não se aplica.	27,54	–13,80	3,37	21,55

[1] e-mail: ricardocivil92@gmail.com, juniapaula@cefetmg.br, calixto@ufmg.br

Brasil

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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

RESUMO