Chemical stabilization of soils using carbon nanotubes

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAo longo dos últimos anos, devido à escassez de áreas propícias à construção do ponto de vista geotécnico, surgiu a necessidade de construir sobre solos com fracas características geotécnicas.A presente dissertação tem como objetivo, estudar as propriedades mecânicas do solo mole do Baixo Mondego, após a sua estabilização química com cimento Portland e nanopartículas, mais precisamente nanotubos de carbono.Devido às suas propriedades únicas, os nanotubos de carbono têm sido utilizados em inúmeras aplicações, tais como em materiais compósitos, com o intuito de reforçar as suas propriedades mecânicas. No entanto, a dificuldade da sua aplicação direta reside na tendência natural que estes têm em aglomerar-se, resultando na perda de grande parte dos benefícios associados. Para superar esta dificuldade é necessário dispersar adequadamente os nanotubos de carbono antes de os usar, recorrendo à adição de surfactantes e à utilização de energia ultrassónica.Neste estudo, foram caracterizados e otimizadas as concentrações de cinco surfactantes (Pluronic F-127, SDBS, SDOCO, Policarboxilato e Triton X-100) e ainda foram utilizadas cinco combinações de surfactantes (SDBS com Pluronic F-127, SDBS com Policarboxilato, SDBS com SDOCO, SDBS com Triton X-100 e SDOCO com Pluronic F-127), de forma a dispersar com eficiência os nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs).Por fim, as dispersões de nanotubos de carbono foram adicionadas ao solo mole do Baixo Mondego e a cimento Portland, e foram realizados ensaios de compressão simples (UCS) em amostras com tempos de cura de 7 e 28 dias, de forma a avaliar o comportamento mecânico do material compósito final.Os resultados dos ensaios de compressão simples permitem concluir que a adição de surfactantes com MWCNTs consegue melhorar as propriedades mecânicas do solo. Registaram-se ganhos na resistência à compressão simples de até 59,81%, dependendo este ganho do tempo de cura e do surfactante e/ou mistura de surfactantes utilizado.Over the last few years, due to the scarcity of areas suitable for construction, from a geotechnical point of view, it was necessary to build on soils with weak geotechnical properties.The aim of this dissertation was to study the influence on the mechanical properties of the soft soil of Baixo Mondego, of performing a chemical stabilization with Portland cement and nanoparticles, more precisely carbon nanotubes.Due to their unique properties, carbon nanotubes have been used in a large number of applications, such as in composite materials, in order to enhance their mechanical properties. However, the difficulty to apply directly nanotubes is related with their natural tendency to cluster, resulting in the loss of most part of the benefits associated to the individual nanotubes. To overcome this difficulty it is necessary to properly disperse the carbon nanotubes before using them in the soil, making use of the addition of surfactants and using ultrasonic energy.In this study, five surfactants (Pluronic F-127, SDBS, SDOCO, Polycarboxylate and Triton X-100) were tested and characterized and their concentration optimized. Five combinations of surfactants (SDBS with Pluronic F -127, SDBS with Polycarboxylate, SDBS with SDOCO, SDBS with Triton X-100 and SDOCO with Pluronic F-127) were also tested in order to efficiently disperse the multiple wall carbon nanotubes (MWCNTs).Finally, dispersions of carbon nanotubes were added to the soft soil of Baixo Mondego and Portland cement, which were allowed to cure for 7 and 28 days. Simple compression tests (UCS) were carried out on samples subjected to the two curing times (7 and 28 days), in order to evaluate the mechanical behavior of the final composite material.The results of the simple compression tests allow us to conclude that the addition of surfactants without MWCNTs can improve the mechanical properties of the soil, and these properties can be further enhanced when MWCNTs are added. The resistance to simple compression can be enhanced up to 59,81%, depending on the curing time and the surfactant and / or surfactant mixture used