Estudo para otimização das propriedades eletromecânicas de compósitos cimentícios nanomodificados sensores e avaliação da compatibilidade mecânica em estruturas

Abstract

O monitoramento da integridade estrutural (SHM) é um campo em expansão que visa avaliar continuamente o comportamento de estruturas por meio de dispositivos sensores. Estes sistemas permitem a coleta em tempo real de parâmetros cruciais como deformação, deslocamentos, temperatura e umidade, viabilizando a detecção precoce de anomalias e o planejamento de intervenções. Neste contexto, a presente pesquisa investigou a otimização de compósitos cimentícios nanomodificados sensores (CCNS), com o objetivo de aprimorar suas propriedades sensoras e sua aplicabilidade no monitoramento de vigas de concreto armado. O estudo teve como objetivo principal o desenvolvimento e a otimização da dispersão de nanopartículas, focando em sua compatibilidade mecânica e desempenho em elementos estruturais. Inicialmente, foi realizada uma revisão abrangente da literatura sobre a produção, os mecanismos de hidratação e as propriedades mecânicas e piezoresistivas de argamassas sensoras. Esta análise permitiu identificar os efeitos de diferentes materiais nos mecanismos de condutividade elétrica e autodetecção, bem como sugerir resíduos industriais e agrícolas como alternativas promissoras para futuras pesquisas em CCNS. Na sequência, foram investigados os efeitos da variação da energia de sonicação na dispersão de nanopartículas de Carbon Black (CBN) e no comportamento eletromecânico e reológico dos CCNS. Através de uma combinação de quatro técnicas de análise, foi possível identificar a energia de 240 J/mL como a mais eficaz para produzir nanosuspensões de alta eficiência, otimizando as propriedades dos compósitos. Em seguida, o foco foi a avaliação do impacto da variação da razão entre aditivo superplastificante (PCE) e CBN no comportamento eletromecânico e reológico. A pesquisa determinou que uma razão de 0.4 otimiza o desempenho dos CCNS, resultando em nanosuspensões com dispersão e estabilidade superiores. Por fim, a compatibilidade mecânica entre os CCNS e um elemento de concreto armado submetido à flexão foi analisada, demonstrando que o sensor desenvolvido possui habilidade satisfatória para automonitoramento de deformações e autodetecção de danos. Os resultados obtidos revelaram que a concentração ideal de 5% de CBN proporcionou a melhor combinação entre piezorresistividade e propriedades mecânicas adequadas. Além disso, a pesquisa demonstrou que um módulo de elasticidade ligeiramente menor para o sensor, em comparação com a estrutura monitorada, é crucial para a obtenção de uma resposta coerente. A análise comparativa com strain gauges comerciais validou a capacidade do sensor em identificar danos e deformações, consolidando seu potencial para aplicação prática em SHM. As contribuições deste trabalho fornecem diretrizes essenciais para a seleção e aplicação de CCNS, abrindo caminho para o desenvolvimento de soluções mais eficientes e confiáveis no campo do monitoramento de infraestruturas. Palavras-chave: compósitos cimentícios nanomodificados sensores; nanopartículas de Carbon Black; piezoresistividade; dispersão de nanopartículas; compatibilidade mecânica.Structural Health Monitoring (SHM) is a growing field that aims to continuously assess the behavior of structures using sensing devices. These systems enable the real-time collection of crucial parameters like strain, displacement, temperature, and humidity, facilitating the early detection of anomalies and the planning of interventions. In this context, the present research investigated the optimization of Cement Composite Nanomodified Sensors (CCNS), with the goal of enhancing their sensing properties and their applicability in monitoring reinforced concrete beams. The main objective of the study was the development and optimization of nanoparticle dispersion, focusing on their mechanical compatibility and performance in structural elements. Initially, a comprehensive literature review was conducted on the production, hydration mechanisms, and the mechanical and piezoresistive properties of sensor-enabled mortars. This analysis identified the effects of different materials on electrical conductivity and self-sensing mechanisms, as well as suggesting industrial and agricultural waste as promising alternatives for future research in CCNS. Subsequently, the effects of varying sonication energy on the dispersion of Carbon Black Nanoparticles (CBN) and the electromechanical and rheological behavior of the CCNS were investigated. Through a combination of four analytical techniques, an energy of 240 J/mL was identified as the most effective for producing high-efficiency nanosuspensions, thereby optimizing the composite's properties. Next, the focus was on evaluating the impact of varying the ratio between superplasticizer additive based on polycarboxylate ether (PCE) and CBN on the electromechanical and rheological behavior. The research determined that a ratio of 0.4 optimizes the performance of the CCNS, resulting in nanosuspensions with superior dispersion and stability. Finally, the mechanical compatibility between the CCNS and a reinforced concrete element subjected to bending was analyzed, demonstrating that the developed sensor possesses satisfactory ability for strain self- monitoring and damage self-sensing. The obtained results revealed that the ideal concentration of 5% of CBN provided the best combination of piezoresistivity and adequate mechanical properties. Furthermore, the research demonstrated that a slightly lower elastic modulus for the sensor, in comparison to the monitored structure, is crucial for obtaining a coherent response. A comparative analysis with commercial strain gauges validated the sensor's capacity to identify damage and deformation, consolidating its potential for practical application in SHM. The contributions of this work provide essential guidelines for the selection and application of CCNS, paving the way for the development of more efficient and reliable solutions in the field of infrastructure monitoring. Keywords: cement composite nanomodified sensors; carbon black nanoparticles; piezoresistivity; nanoparticle dispersion; mechanical compatibility.