Estabilização química de solos recorrendo a nanotubos de carbono

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA recente necessidade de construção em solos com fracas características geotécnicas (como é o caso dos solos moles) tem conduzido a uma crescente procura de novos métodos de estabilização de solos.O trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação focou-se no estudo das propriedades mecânicas do solo mole do Baixo Mondego, após a sua estabilização química com cimento Portland e com nanotubos de carbono. Desde a sua descoberta, os nanotubos de carbono têm encontrado inúmeras aplicações devido às suas propriedades excecionais, muitas das quais consistem na sua incorporação em materiais compósitos, para atuarem como agentes de reforço à nanoescala. No entanto, a tendência natural que estas partículas têm para a sua aglomeração pode levar à perda das suas propriedades benéficas, e por isso é necessário garantir uma dispersão adequada antes do seu uso. Através da adição de surfactantes e/ou aplicando energia ultrassónica é possível promover uma dispersão estável destas partículas. Neste estudo, foram caracterizados e testados sete surfactantes (Amber 2009, Amber 2012, Amber 2013, Amber 2014, polyDADMAC HMW, polyDADMAC MMW e Pluronic F-127) e duas misturas de surfactantes (Pluronic F-127 com polyDADMAC MMW e Glycerox com polyDADMAC MMW), de forma a avaliar a sua eficiência na dispersão de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs - multi-wall carbon nanotubes). Todos os surfactantes foram capazes de promover uma dispersão adequada de 0.001 wt.% de MWCNTs, quando usados numa concentração de 0.1 wt.%.Subsequentemente, os MWCNTs dispersos foram adicionados ao solo mole do Baixo Mondego e a cimento Portland, e foram realizados ensaios de compressão simples (UCS - unconfined compression strength) de forma a avaliar o comportamento mecânico do material compósito final. Os resultados mostraram que todas as amostras exibem um comportamento mais dúctil do que os ensaios de referência. Relativamente à resistência mecânica, não foram registadas melhorias significativas, e em alguns casos houve até uma diminuição da resistência das amostras à compressão não confinada, o que provavelmente se deve ao comportamento do surfactante quando em contacto com o solo, antes de terem lugar as reações de hidratação do cimento.À luz dos resultados obtidos, conclui-se que é necessário efetuar estudos adicionais para compreender melhor as interações entre o sistema surfactante/MWCNTs quando este é adicionado ao compósito solo/cimento Portland, uma vez que ter uma boa dispersão de MWCNTs não é suficiente para assegurar melhorias ao nível das propriedades mecânicas dos materiais compósitos finais, como seria esperado.The recent demand for construction on soils with poor geotechnical characteristics (such as soft soils) has lead to a rising need to seek new and better methods of soil stabilization.The work developed in this dissertation focused on the study of the mechanical properties of the soft soil of Baixo Mondego, after its chemical stabilization with Portland cement and enriched with carbon nanotubes. Since their discovery, carbon nanotubes have found a wide variety of applications due to their exceptional properties, most of which consisting on their incorporation into composite materials to act as a nanoreinforcement agent. However, the natural tendency for the aggregation of these nanoparticles may lead to the loss of their beneficial properties, hence it is necessary to guarantee a suitable dispersion before their use. This can be achieved by adding surfactant molecules and/or applying ultrasonic energy to promote a stable dispersion of such particles.In this study, seven surfactants (Amber 2009, Amber 2012, Amber 2013, Amber 2014, polyDADMAC HMW, polyDADMAC MMW and Pluronic F-127) and two surfactant mixtures (Pluronic F-127 with polyDADMAC MMW and Glycerox with polyDADMAC MMW) were characterized and tested to evaluate their efficiency in dispersing multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs). All surfactants proved to be capable of promoting a suitable dispersion of 0.001 wt.% MWCNTs when used at a concentration of 0.1 wt.%. Subsequently, the well-dispersed MWCNTs were added to the soft soil of Baixo Mondego and Portland cement, and unconfined compression strength tests (UCS) were carried out in order to assess the mechanical behaviour of the final composite material.The results showed that all composite samples exhibit a more ductile behaviour than the reference test. Regarding the mechanical compression strength, the improvements observed were relatively poor, and in some cases there was even a loss of the unconfined compression strength, which is most likely due to the surfactant behaviour when placed in the soil medium, before the cement hydration reactions start occurring.In the end, it was concluded that further studies are necessary to better understand the interactions between the surfactant/MWCNTs system when added to the soil/Portland cement composite, since having a good dispersion of MWCNTs was not enough to obtain reasonable mechanical improvements of the final composite materials, as initially expected.