O que os engenheiros do Exército dos EUA descobriram quando adicionaram grafeno ao cimento

Grade molecular de grafeno (Imagem: koya979 via AdobeStock - stock.adobe.com)

O Exército dos EUA vem explorando o potencial do material maravilhoso grafeno quando se trata de fazer argamassa e concreto mais resistentes para aplicações militares e civis.

O grafeno, descoberto em 2004, é uma camada única de átomos de carbono, ligados em uma estrutura hexagonal de favo de mel. Extraído do grafite, é altamente condutor, pesa muito pouco e tem força notável.

Introduzi-lo no concreto poderia, em teoria, resolver problemas com baixa resistência à tração e permeabilidade. Seu potencial para aumentar a resistência do concreto também poderia reduzir a necessidade de reforço de aço, abrindo caminho para uma redução nas emissões de CO2.

Novo estudo sobre grafeno

Antes da aplicação de carga em pasta de cimento de grafeno (LGG) gerada em laboratório com 0,02% (p/p) (Imagem: Grafeno em materiais cimentícios/ERDC)

Mas o uso de grafeno em cimento e concreto ainda está em seus primórdios e há obstáculos a serem superados, principalmente quando se trata de encontrar a dosagem correta de grafeno, o tamanho das partículas, a velocidade de mistura e como dispersar o material maravilhoso pelo concreto para atingir a resistência ideal.

Foi isso que um relatório do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenheiros do Exército dos EUA (ERDC) publicado no mês passado (dezembro de 2023), chamado Grafeno em Materiais Cimentícios, pretendia alcançar.

Pesquisadores testaram grafeno de qualidade comercial (CGG) e grafeno gerado em laboratório (LGG) para criar pequenas quantidades de misturas de grafeno-cimento.

Após misturar o grafeno em cimento Portland padrão usando um dispersante, os pesquisadores curaram a mistura em uma sala de névoa por sete, 14 e 28 dias antes de realizar testes de resistência à compressão e análises químicas e microestruturais. As misturas de grafeno-cimento foram comparadas a uma mistura de cimento de referência que não continha grafeno.

Cimento mais forte...se os ingredientes estiverem certos

O que os pesquisadores descobriram foi que é possível obter pastas de grafeno-cimento com resistências à compressão maiores do que o cimento padrão.

Mas isso dependia de encontrar a dosagem correta de grafeno e atingir a dispersão ideal do material através do cimento (o estudo descobriu que o aditivo para concreto MasterGlenium 7920 era o surfactante mais eficaz para isso).

Por exemplo, uma dosagem de 0,3% de grafeno de qualidade comercial teve o melhor desempenho, mostrando um aumento consistente em sua resistência à compressão média, de pouco mais de 100% do cimento Portland normal após 7 dias de cura, pouco menos de 110% após 14 dias, antes de aumentar novamente para mais de 120% após 28 dias.

Uma dose de 0,6% de pasta de cimento de grafite à base de CGG também apresentou uma melhora marginal ao longo do tempo, mas uma dose de 0,9% teve um desempenho pior em testes de resistência do que o cimento Portland padrão após 7 e 28 dias.

Quando se trata de misturas de cimento LGG, todas as misturas de grafite-cimento tiveram melhor desempenho em testes de resistência após 14 dias de cura. Mas seu desempenho caiu após 28 dias de cura.

Fonte: Grafeno em materiais cimentícios/ERDC

Os resultados mostraram o quão importante é uma boa dispersão de grafeno através do cimento, assim como obter a dosagem correta de grafeno. Errar essas variáveis corre o risco de várias camadas de grafeno se juntarem. E quando camadas de grafeno se aglomeram, as forças que as mantêm no lugar são fracas e podem acabar comprometendo a resistência das misturas de cimento.

O relatório observou: “Essas descobertas apontam a importância de se atingir a dispersão ideal de grafeno em meios cimentícios, que é determinada pelo tipo de dispersante, a taxa de mistura de alta taxa de cisalhamento, juntamente com o tipo de grafeno, tamanho e taxa de dosagem.”

Próximos passos

No entanto, os pesquisadores indicaram que veem um futuro brilhante para o concreto enriquecido com grafeno.

O relatório disse: “Pode-se esperar ver melhorias significativas no concreto de grafeno em relação ao concreto convencional em aplicações de tração e flexão, onde a resistência à tração e o módulo de Young do grafeno serão melhor utilizados”.

Fonte: Grafeno em materiais cimentícios/ERDC

Os engenheiros do Exército dos EUA agora esperam continuar suas pesquisas, examinando o impacto de agregados finos e grossos no comportamento de materiais de concreto de grafite.

“Explorar as oportunidades no uso do grafeno permitirá estruturas de melhor desempenho na engenharia militar sob situações de explosão e penetração. Investigações posteriores do grafeno em matrizes cimentícias facilitarão a adoção do GRM para construção militar, suporte a combatentes, combate às mudanças climáticas e uso na vasta infraestrutura de obras civis da nossa nação”, concluiu o relatório.

Leia o relatório completo do ERDC, Grafina em materiais cimentícios .