Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

Resumo Técnico: Avaliação de Desempenho de Concreto Incorporando Dióxido de Titânio Nano e Cinza de Fundo de Carvão

Definição do Problema
A indústria da construção enfrenta um desafio duplo: a alta pegada ambiental da fabricação de cimento, que responde por emissões significativas de dióxido de carbono, e a crescente escassez e o custo dos agregados miúdos naturais (areia de rio). A dependência tradicional de Cimento Portland Comum (OPC) e areia natural é insustentável devido à exaustão de recursos e aos danos ecológicos causados pela extração e dragagem. Além disso, o descarte de subprodutos industriais como a cinza de fundo de carvão (CBA) permanece como uma questão de gestão de resíduos. Embora materiais cimentícios suplementares (SCMs) tenham sido explorados, há uma necessidade de otimizar dosagens de mistura que utilizem simultaneamente resíduos industriais como substituto de agregado miúdo e incorporem nanomateriais para aprimorar as propriedades microestruturais sem comprometer a trabalhabilidade ou a durabilidade a longo prazo.

Metodologia
O estudo focou em concreto de classe M35, projetado de acordo com as normas IS 10262:2009 e IS 456:2000. O programa experimental envolveu três variáveis primárias:

1. Substituição de Agregado Miúdo: O agregado miúdo natural foi parcialmente ou totalmente substituído por Cinza de Fundo de Carvão (CBA) em incrementos de 10% a 100%.
2. Adição de Nanomaterial: Dióxido de Titânio Nano (NTi) foi adicionado à matriz de cimento em dosagens variadas (1% a 7% em peso) para avaliar seu efeito na hidratação e na microestrutura.
3. Traço de Controle: Um traço convencional M35 serviu como base para comparação.

A pesquisa empregou um regime de testes abrangente:

• Propriedades no Estado Fresco: A trabalhabilidade foi avaliada via cone de abatimento (slump), fator de compactação e testes de mesa de fluxo.
• Propriedades Mecânicas: A resistência à compressão foi medida aos 3, 7, 28, 56 e 90 dias. As resistências à tração por fissura e à flexão foram avaliadas aos 28, 56 e 90 dias.
• Durabilidade: A resistência ao ataque ácido (imersão em 5% de HCl) foi testada medindo a perda de massa e a redução de resistência ao longo do tempo. Testes de Penetração de Cloretos Rápida (RCPT) foram realizados aos 90 dias para avaliar a permeabilidade.
• Ensaios Não Destrutivos (NDT): Testes de martelo de rebound e medições de Velocidade de Pulso Ultrassônico (UPV) foram utilizados para avaliar a qualidade interna e a densidade.
• Análise Microestrutural: Difração de Raios-X (XRD) e Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) foram utilizadas para identificar fases cristalinas, produtos de hidratação e o refinamento da estrutura de poros.

Principais Contribuições e Resultados

• Trabalhabilidade: A incorporação de 60% de CBA e 40% de agregado miúdo natural manteve, em geral, uma trabalhabilidade média. A adição de NTi melhorou a trabalhabilidade, com uma dosagem de 5% proporcionando o maior slump (128 mm) e fluxo (93%), classificado como trabalhabilidade "Alta". No entanto, dosagens superiores a 5% apresentaram retornos decrescentes ou redução de desempenho.
• Resistência Mecânica:
  • Substituição por CBA: Uma mistura com 60% de CBA e 40% de agregado miúdo natural superou o traço de controle. Aos 90 dias, esta mistura alcançou uma resistência à compressão de 47,1 N/mm² (comparado a 46,3 N/mm² do controle), juntamente com melhorias nas resistências à tração por fissura (3,04 N/mm²) e à flexão (3,54 N/mm²). A substituição total do agregado miúdo por CBA resultou em redução de resistência.
  • Otimização de NTi: A adição de 5% de NTi à mistura com 60% de CBA proporcionou o desempenho mecânico ideal. Esta combinação alcançou um pico de resistência à compressão de 47,9 N/mm² aos 90 dias, superando tanto o controle quanto as misturas modificadas apenas com CBA. Dosagens menores (1-2%) de NTi resultaram inicialmente em menor resistência comparada à mistura apenas com CBA.
• Durabilidade:
  • Resistência Ácida: A mistura com 5% de NTi demonstrou resistência superior à exposição a 5% de HCl. Aos 28 dias, exibiu apenas 12,07% de redução de resistência, significativamente menor que o controle (27,01%) e a mistura com 60% de CBA (23,50%). Embora a perda de resistência tenha aumentado com o tempo, a mistura modificada com NTi permaneceu mais resistente que as demais variantes aos 90 dias.
  • Permeabilidade ao Cloreto: Os resultados do RCPT indicaram que a mistura com 5% de NTi apresentou a menor permeabilidade ao cloreto (379 Coulombs), classificada como "Muito Baixa", comparada a 756 Coulombs para a mistura com 60% de CBA e 886 Coulombs para o controle.
  • Resultados de NDT: O teste UPV confirmou a qualidade aprimorada da mistura modificada com NTi, registrando uma velocidade de pulso de 5,36 km/s ("Excelente"), comparada a 3,85 km/s para a mistura com CBA e 3,66 km/s para o controle.
• Percepções Microestruturais:
  • Análise XRD: A presença de NTi (fase Anatase) foi confirmada. A mistura com 5% de NTi mostrou uma redução nos picos de Hidróxido de Cálcio (Portlandita) e uma intensificação da região de Silicato de Cálcio e Hidrato (C-S-H), sugerindo que o NTi atuou como um sítio de nucleação, promovendo uma hidratação mais densa.
  • Análise SEM: As micrografias revelaram que a mistura modificada com NTi possui uma estrutura de poros refinada com redução de vazios. As partículas de CBA atuaram como microagregados, preenchendo os vazios, enquanto o NTi aprimorou a zona de transição interfacial, levando a uma matriz mais densa.

Significância e Alegações
O artigo conclui que o uso sinérgico de Cinza de Fundo de Carvão como substituto sustentável de agregado miúdo e de Dióxido de Titânio Nano como aditivo de aumento de desempenho oferece um caminho viável para o desenvolvimento de concreto sustentável. O estudo afirma que a mistura específica de 60% de CBA e 5% de NTi representa um compromisso ideal, entregando:

1. Desempenho Mecânico Aprimorado: Maiores resistências à compressão, tração e flexão em comparação ao concreto convencional.
2. Durabilidade Melhorada: Significativamente reduzida permeabilidade ao cloreto e melhor resistência ao ataque ácido, sugerindo uma vida útil mais longa, particularmente em ambientes agressivos.
3. Refinamento Microestrutural: Uma matriz mais densa com porosidade reduzida e produtos de hidratação otimizados.
4. Viabilidade Prática: As misturas mantiveram ou melhoraram a trabalhabilidade, indicando que estas modificações sustentáveis não exigem procedimentos de manuseio complexos no canteiro de obras.

Os autores posicionam esta abordagem não como uma "solução definitiva", mas como um forte candidato para aplicações onde a integridade estrutural de longo prazo e a sustentabilidade ambiental são priorizadas. A pesquisa valida que resíduos industriais podem ser valorizados efetivamente quando combinados com nanomateriais avançados para abordar as limitações do concreto tradicional.