Matrizes cimentícias reforçadas por nanofibras de carbono e fibras curtas de carbono

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil
O reforço do betão com fibras tem sofrido grandes avanços ao longo dos últimos anos. Estes avanços tornaram possível a introdução de nanomateriais como as nanofibras de carbono, permitindo o controlo da fissuração a uma escala nanométrica e a monitorização de estruturas de betão em tempo real através de materiais condutores. Neste trabalho, foram desenvolvidos compósitos cimentícios condutores e estudado o seu comportamento elétrico quando sujeitos a uma carga de tração uniaxial. Neste sentido, foram preparados dois tipos de compósitos de matriz cimentícia, um reforçado com fibras curtas de carbono e um outro compósito híbrido reforçado simultaneamente com nanofibras e fibras curtas de carbono. Na conceção destes dois tipos de compósitos, especial atenção foi dada à correta dispersão da fibra de carbono e das nanofibras na matriz cimentícia para garantia da homogeneidade necessária à maximização das propriedades mecânicas e elétricas. De um modo geral os resultados obtidos demostram que as nanofibras e as fibras curtas de carbono foram dispersas efetivamente nas matrizes cimentícias originando compósitos capazes de apresentar o efeito piezoresistivo, ou seja, uma variação da resistência elétrica sob carga de tração uniaxial, demonstrando o seu potencial para uso como sensores de deformação em tempo real, embebidos na própria matriz. Dos ensaios realizados, os melhores resultados obtidos para o compósito cimentício enquanto sensor elétrico, foram verificados na percentagem de 0.5% de fibras curtas de carbono, para o ensaio de tração cíclico, e com 0.75% de fibras curtas de carbono e 0.1% de nanofibras de carbono, para o ensaio monotónico. Conclui-se que as nanofibras e as fibras curtas de carbono incorporadas num compósito de matriz cimentícia tornam este material condutor, possibilitando a sua utilização enquanto sensor elétrico de cargas e deformações.
The reinforcement of concrete with fibers has undergone great advances in recent years. These advances have made possible the introduction of nanomaterials such as carbon nanofibers, allowing the control of cracking on a nanometric scale and the monitoring of concrete structures in real time through conductive materials. In this dissertation, conductive cementitious composites and their electrical behavior were studied when subjected to a uniaxial tensile load. Therefore, two types of cementitious matrix composites were prepared, one reinforced with short carbon fibers and another hybrid composite reinforced simultaneously with nanofibers and short carbon fibers. In the design of these two types of composites, the correct dispersion of the carbon fiber and the nanofibers in the cement matrix to improve the mechanical and electrical properties is very important. In general, the results showed that the nanofibers and the short carbon fibers were effectively dispersed in the cementitious matrix producing composites capable of presenting the piezoresistive effect, ie a variation of the electrical resistance under a uniaxial tensile load, demonstrating their potential for use as strain sensors. From the tests performed, the best results obtained from the cementitious composite as an electric sensor were verified in the percentage of 0.5% of short carbon fibers for the cyclic traction test and with 0.75% of short carbon fibers and 0.1% of carbon nanofibers, for the monotonic assay. It’s concluded that the nanofibers and the short carbon fibers in a cementitious matrix composite act as an electric sensor of loads and deformations.