Microesferas podem tornar o concreto mais enxuto, mais verde

Esferas de silicato de cálcio sintetizadas na Universidade de Arroz e embaladas em um pellet se mantêm juntas sob compressão. As esferas são blocos de construção que podem ser feitos a baixo custo e prometem mitigar as técnicas intensivas em energia usadas atualmente para fazer cimento, o aglutinante mais comum no concreto. Crédito: Multiscale Materials Laboratory / Rice University

Partículas microscópicas prometem materiais de construção mais fortes e mais

Os cientistas da Rice University desenvolveram esferas de silicato de cálcio de tamanho mícron que poderiam levar a um concreto mais forte e mais verde, o material sintético mais usado no mundo.

Para o cientista de materiais da Rice Rouzbeh Shahsavari e a estudante de pós-graduação Sung Hoon Hwang, as esferas representam blocos de construção que podem ser feitos a baixo custo e prometem mitigar as técnicas intensivas em energia usadas atualmente para fazer cimento, o aglutinante mais comum do concreto.

Os pesquisadores formaram as esferas em uma solução em torno de sementes em nanoescala de um surfactante semelhante a um detergente comum. As esferas podem ser solicitadas a se auto-montar em sólidos mais fortes, duros, elásticos e mais duráveis ​​do que o cimento Portland onipresente.

Esferas de silicato de cálcio sintetizadas na Universidade de Rice e embaladas em um pellet se mantêm juntas sob compressão. As esferas são blocos de construção que podem ser feitos a baixo custo e prometem mitigar as técnicas intensivas em energia usadas atualmente para fazer cimento, o aglutinante mais comum no concreto.
Crédito: Multiscale Materials Laboratory / Rice University

“O cimento não tem a estrutura mais agradável”, disse Shahsavari, professor assistente de ciência dos materiais e nanoengenharia. “Partículas de cimento são amorfas e desorganizadas, o que o torna um pouco vulnerável a rachaduras. Mas com esse material, sabemos quais são nossos limites e podemos canalizar polímeros ou outros materiais entre as esferas para controlar a estrutura de baixo para cima e prever mais precisamente como poderia fraturar. ”

Ele disse que as esferas são adequadas para engenharia de tecidos ósseos, isolamento, aplicações cerâmicas e compostas, além de cimento.

A pesquisa aparece no jornal da American Chemical Society, Langmuir.

O trabalho baseia-se em um projeto de 2017 por Shahsavari e Hwang para desenvolver materiais de autocura com esferas de silicato de cálcio porosas e microscópicas. O novo material não é poroso, pois um revestimento sólido de silicato de cálcio envolve a semente de surfactante.

Mas como o projeto anterior, foi inspirado em como a natureza coordena as interfaces entre materiais diferentes, particularmente em nácar (mãe de pérola), o material das conchas. A força do nácar é resultado da alternância de plaquetas orgânicas inorgânicas e macias duras. Porque as esferas imitam essa estrutura, elas são consideradas biomiméticas.

Os pesquisadores descobriram que podiam controlar o tamanho das esferas que variam de 100 a 500 nanômetros de diâmetro, manipulando surfactantes, soluções, concentrações e temperaturas durante a fabricação. Isso permite que eles sejam ajustados para aplicações, disse Shahsavari.

“Esses são blocos de construção muito simples, mas universais, dois traços-chave de muitos biomateriais”, disse Shahsavari. “Eles permitem funcionalidades avançadas em materiais sintéticos. Antes, havia tentativas de fabricar blocos de construção de plaquetas ou fibras para compósitos, mas isso funciona usando esferas para criar materiais biomiméticos fortes, resistentes e adaptáveis.

“As formas de esfera são importantes porque são muito mais fáceis de sintetizar, auto-montar e escalar a partir da química e dos pontos de vista de fabricação em larga escala.”

Em testes, os pesquisadores usaram dois surfactantes comuns para fazer esferas e comprimiram seus produtos em pelotas para testes. Eles aprenderam que os pellets baseados em DTAB compactaram melhor e eram mais resistentes, com um módulo de elasticidade mais alto, do que os pellets CTAB ou o cimento comum. Eles também mostraram alta resistência elétrica.

Shahsavari disse que o tamanho e a forma das partículas em geral têm um efeito significativo nas propriedades mecânicas e na durabilidade de materiais a granel como o concreto. “É muito benéfico ter algo que você possa controlar, ao contrário de um material aleatório por natureza”, disse ele. “Além disso, pode-se misturar esferas com diferentes diâmetros para preencher as lacunas entre as estruturas automontadas, levando a densidades de empacotamento mais altas e, portanto, propriedades mecânicas e de durabilidade”.

Ele disse que aumentar a força do cimento permite que os fabricantes usem menos concreto, diminuindo não apenas o peso, mas também a energia necessária para produzi-lo e as emissões de carbono associadas à fabricação do cimento. Como as esferas são mais eficientes do que as partículas irregulares encontradas no cimento comum, o material resultante será mais resistente a íons prejudiciais da água e outros contaminantes e deve exigir menos manutenção e substituição menos frequente.