Efeitos de Al2O3, nanopartículas de SiO2 e g

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2720 (2023) Citar este artigo

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São levantadas questões ambientais em relação à produção de cimento Portland. Como resultado, o biocimento serve como um substituto confiável para o cimento Portland em projetos de construção verde. Este estudo criou uma técnica totalmente nova para criar biocimento de alta qualidade a partir de resíduos agrícolas. A técnica é baseada em nanomateriais que melhoram e aceleram o processo de “Precipitação de Calcita Induzida Microbianamente (MICP)”, o que melhora a qualidade do biocimento produzido. A mistura foi ainda misturada com a adição de 5 mg/l de nanofolhas de nitreto de carbono grafítico (g-C3N4 NSs), nanopartículas de alumina (NPs de Al2O3) ou nanopartículas de sílica (NPs de SiO2). A proporção cimento:areia foi de 1:3, a proporção cinza:cimento foi de 1:9 e a proporção água:cimento foi de 1:2. Moldes de cubos foram preparados e posteriormente fundidos e compactados. Após a desmoldagem, todas as amostras foram curadas em meio caldo nutriente-uréia (NBU) até o teste aos 28 dias. O meio foi reabastecido num intervalo de 7 dias. Os resultados mostram que a adição de 5 mg/l de g-C3N4 NSs com cinza de sabugo de milho proporcionou a maior “Resistência à Compressão” e a maior “Resistência à Flexão” de cubos de argamassa de biocimento de 18 e 7,6 megapascal (MPa), respectivamente; e uma “Absorção de Água” aceitável (5,42%) em comparação com todos os outros tratamentos. Este tratamento proporcionou uma redução de “Resistência à Compressão”, “Resistência à Flexão” e “Absorção de Água” de 1,67, 1,26 e 1,21 vezes o controle (cimento Portland padrão). Concluiu-se que a adição de 5 mg/l de g-C3N4 NSs à mistura cimentícia melhora as suas propriedades, sendo o biocimento resultante um substituto promissor para o cimento Portland convencional. A adição de nanomateriais ao cimento reduz sua permeabilidade aos íons, aumentando sua resistência e durabilidade. A utilização destes nanomateriais pode melhorar o desempenho de infraestruturas de concreto. A utilização de nanopartículas é uma solução eficaz para reduzir o impacto ambiental associado à produção de concreto.

O biocimento é um novo material de construção verde feito a partir de resíduos agrícolas. A utilização do biocimento tem demonstrado vantagens ambientais, econômicas e técnicas. O concreto resultante é denominado “concreto verde”1,2. O biocimento melhora consideravelmente a resistência da argamassa aos ataques ácidos. Além disso, a argamassa de biocimento melhorou a resistência à permeabilidade à água do que o cimento Portland sozinho3. De Muynck et al.4 cunharam os seguintes termos: biomineralização ou biodeposição de CaCO3, bioargamassa e bioconcreto que são feitos de biocimento. Os seguintes biorresíduos podem ser usados ​​como matéria-prima para a produção de biocimento: casca de arroz, palha de arroz, capim vetiver, sabugo de milho, cana-de-açúcar, casca de dendê, palha de trigo, caule de linho, folha de bambu, lodo de esgoto, microalgas, serragem e lodo de fábrica de papel3 ,4,5,6,7.

“Nanotecnologia” pode ser definida como o estudo, exploração e uso de materiais entre 1 e 100 nm de tamanho chamados “Nanomateriais”, onde 1 nm (nm) é igual a 10–9 m. Os nanomateriais podem ser sintetizados na forma de nanocubos, nanofios, nanobastões, nanotubos e nanopartículas (nanosferas e nanocápsulas). As principais características dos nanomateriais variam fundamentalmente em relação ao material original8.

A retrogradação de construções cimentícias é um problema generalizado, uma vez que apresentam elevada permeabilidade, permitindo a entrada de água e levando à corrosão. A implementação de selantes, por exemplo, biocimento, é um meio poderoso para aumentar a durabilidade do concreto9. Cinzas de resíduos agrícolas podem ser adicionadas para substituir apenas 6–20% do cimento Portland. A resistência do biocimento diminui com o uso de cinzas de resíduos orgânicos mais elevados1. Isso dificulta a expansão do uso do biocimento e também limita os benefícios ambientais do uso do biocimento.

Supõe-se que os nanomateriais aumentem as capacidades de ligação entre os diferentes componentes dos materiais cimentícios. Assim, a utilização de nanomateriais permite a adição de cinzas de resíduos orgânicos em substituição a uma quantidade superior a 20% do cimento Portland, mantendo a resistência do biocimento produzido. Consequentemente, isto afeta positivamente as propriedades de engenharia, especialmente as propriedades mecânicas, da argamassa e do concreto produzidos a partir do biocimento. Além disso, supõe-se que os nanomateriais bioestimulem as bactérias e aumentem a sua atividade, o que acelera a biomineralização, levando a um aumento na quantidade e na taxa de precipitação de CaCO3. Em última análise, isso leva à vedação das fissuras do concreto. Nanomateriais como nanosílica (nano-SiO2), nanoalumina (nano-Al2O3), óxido nanoférrico (nano-Fe2O3), óxido de nanotitânio (nano-TiO2), nanotubos de carbono (CNTs), grafeno e o óxido de grafeno pode ser misturado com materiais à base de cimento10. Vários pesquisadores têm estudado a incorporação de nanomateriais em materiais à base de cimento nos últimos anos. A combinação de compósitos cimentícios e nanomateriais tem potencial para melhorar a resistência mecânica das estruturas de concreto resultantes11,12,13,14,15. A nanossílica é um nanomaterial comum usado em compósitos à base de cimento. Esse material acelera a hidratação do cimento ao gerar silicato de cálcio hidratado (C–S–H) e dissolver silicatos tricálcicos (C3S)16. Além disso, a nanossílica atua como semente para a nucleação C – S – H, o que acelera a hidratação do cimento . A adição de nanossílica a materiais à base de cimento pode melhorar sua durabilidade, trabalhabilidade e propriedades mecânicas17. As partículas de Nano-Al2O3, por outro lado, podem aumentar a resistência à compressão de materiais à base de cimento18,19. Com dosagem de 0,25% em peso de cimento, as nanofibras de Al2O3 podem aumentar a resistência à compressão de materiais à base de cimento em até 30%16. As nanopartículas melhoram a resistência e durabilidade do concreto, estimulando a reação de hidratação e preenchendo os microporos da estrutura da pasta de cimento. Isso diminui a porosidade do concreto, melhorando a resistência e as propriedades mecânicas da argamassa de cimento10.