3.3.1 Hidratação

Diversos estudos indicam que o grau de hidratação do cimento aumenta com a presença de NFC, uma vez que promove a hidratação para produzir mais silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e hidróxido de cálcio (CH); portanto, uma melhora nas propriedades mecânicas é apresentada (^{Mejdoub et al., 2016}; ^{Sun et al., 2017}; ^{Hoyos et al., 2019}; ^{Hisseine et al., 2019}). Embora nenhum efeito adverso seja relatado no grau de hidratação, há uma influência em sua cinética (^{Hisseine et al., 2018a}).

^{Jiao et al. (2016}) indicam que as amostras de pasta de cimento com e sem NFC não apresentam diferenças na hidratação nas primeiras idades (10 horas), uma vez que a superfície exposta das partículas de cimento domina a liberação de calor e há água suficiente ao redor as partículas para hidratação (^{Lootens; Bentz, 2016}). A adição de NFC prolonga os períodos de indução e atrasa os fluxos de pico de calor. Os grupos hidroxila e carboxila das moléculas de celulose são hidrofílicos (^{Klemm et al., 2011}), o átomo de oxigênio presente nesses grupos possui elétrons desemparelhados que podem reagir com o íon cálcio (Ca²⁺) e formar um complexo hidrofílico que retarda o período de indução de hidratação e endurecimento. Portanto, menos locais de contato são gerados entre as partículas de cimento e a água, diminuindo as taxas de formação de C-S-H e CH (^{Sedan et al., 2008}).

Devido a esse mesmo fenômeno, ^{Goncalves et al. (2019}) e Kamasamudram et al. (2020) relataram haver também uma redução na formação de etringita. Kamasamudram et al. (2021a) descobriram que as nanofibras de lignocelulose (LCNF) e as nanofibras de celulose deslignificadas (DCNF) reduzem as quantidades de etringita e CH na pasta de cimento hidratada. No entanto, o NFC com nanopartículas de sílica mostrou aumentar a quantidade de CH, em torno de 4%, devido ao aumento na velocidade de reação do cimento (efeito de enchimento); enquanto, para as amostras de apenas com NFC, uma redução de CH foi observada (Kamasamudram et al., 2020).

Já em tempos prolongados, as NFC liberam água nas regiões próximas e contribuem para a hidratação das partículas de cimento não hidratadas, isso melhora a microestrutura e as propriedades mecânicas das pastas de cimento (^{Jiao et al., 2016}). Nesse sentido, ^{Ez-zaki et al. (2021}) indicam a mesma tendência ao usar escória granulada de alto-forno moída ativada por álcali com NFC. ^{Kolour et al. (2020}) indicam que o grau de hidratação aumenta com a presença de NFC após 3 dias. ^{Zhang e Scherer (2020}) também mencionam que as NFC melhoram a hidratação do cimento a longo prazo; no entanto, isso pode variar dependendo da fonte de NFC.

Por outro lado, ^{Mejdoub et al. (2016}), Kamasamudram et al. (2020) e Kamasamudram et al. (2021b) indicam que as NFC aceleram a hidratação do cimento em estágio inicial como resultado do efeito de nucleação e que esse efeito é maior para o NFC com nanopartículas de sílica. Após 80 h de hidratação, as adições de NFC não mostraram efeitos significativos no grau de hidratação (Kamasamudram et al., 2021a). Kamasamudram et al. (2021b) concluem que a influência de NFC na hidratação depende da relação a/c (a concentração de íons alcalinos nos poros depende da relação a/c), onde para uma relação a/c de 0,35 há uma hidratação acelerada nas primeiras idades; enquanto, para uma relação a/c de 0,45, a hidratação não foi tão proeminente.

Embora não sejam relatados efeitos adversos na hidratação, são necessários mais estudos da cinética de hidratação nas primeiras horas, a fim de definir possíveis aplicações na construção, além da análise de outras variáveis ​​como o tipo de cimento, diferentes relações a/c, etc.

3.3.2 Reologia

Todos os estudos que analisaram a reologia da pasta de cimento e concreto com NFC relataram melhorias, como limite elástico e viscosidade (^{Hisseine et al., 2018}a; ^{Bakkari et al., 2019}; ^{Ez-zaki et al., 2021}). Em geral, as NFC atuam como um agente modificador na viscosidade das pastas de cimento, aumentando seu limite de escoamento com pequenas adições de NFC, isso é atribuído a dois motivos: a) a capacidade de retenção de água, uma vez que a hidrofilicidade é uma característica intrínseca das NFC (^{Hisseine et al., 2018a}; ^{Hisseine et al., 2018b}; Ez-zaki et al., 2021), e b) a formação de redes de NFC, proeminentes em NFC de comprimentos maiores e flexíveis (^{Hoyos et al., 2019}; ^{Nassiri et al., 2021}).

^{Hisseine et al. (2018}a) e Hisseine et al. (2019) indicam que a incorporação de NFC requer o uso de aditivos redutores de água de alta gama (HRWRA), devido à modificação da viscosidade produzida pelas NFC. Isso está associado à hidrofilicidade das NFC, aumentando a retenção de água e uma alta área de superfície e alta razão de aspecto das NFC, aumentando a formação das redes de NFC. Sobre este último ponto, Hisseine et al. (2018a) descobriram que as redes de NFC aumentam a viscosidade da mistura em baixas taxas de cisalhamento; porém, para altas taxas de cisalhamento, as redes de NFC levaram a uma menor viscosidade, isso devido à racionalização das NFC na direção do fluxo, apresentando um comportamento de desbaste de cisalhamento.

A adição de NFC aumentou o limite elástico da suspensão de cimento de poço de petróleo (CPP), melhorando as propriedades reológicas (^{Sun et al., 2016}). ^{Tang et al. (2019}) descobriram que a força do gel, o limite elástico e a viscosidade das suspensões de NFC e CPP foram maiores quando comparadas com as suspensões de nanocristais de celulose (NCC), isso porque as NFC têm maior probabilidade de formar a rede de intertravamento. Em outro estudo de NFC com CPP, foi descoberto que a adição de nanoplacas de grafeno (NPG) leva a maiores tensões de escoamento no estado fresco (Sun et al., 2019). Observa-se que as NFC têm uma importante influência no comportamento reológico de materiais cimentícios; no entanto, poucos autores consideraram esse aspecto, sendo um ponto importante para futuras pesquisas.

3.3.3 Retração

^{Zhang e Scherer (2020}) demonstraram o uso de NFC para estudar a retração química de pastas cimentícias com alta relação a/c em idades iniciais (3 dias), uma vez que não há efeito químico na hidratação de curto prazo. As NFC criaram uma estrutura estável para suportar as partículas de cimento e permitir que elas se hidratem sem sedimentar.

^{Kolour et al. (2020}) descobriram que adicionar uma quantidade de 0,06% de NFC (por peso de cimento) leva a uma redução na retração autógena em até 49% em pastas de cimento com uma relação a/c de 0,30. Para concretos autoadensáveis, ^{Hisseine et al. (2018}b) relataram que o uso de NFC reduziu as deformações de retração autógena em até 31% em 7 dias.

O uso de NFC com maior nível de grupos carboxila em sistemas de cimento Portland mitiga as alterações dimensionais e fissuras associadas à retração das pastas de cimento (^{Bakkari et al., 2019}).

Os estudos mostram que as NFC reduzem a retração química e autógena, principalmente. No entanto, não há estudos de longo prazo, como retração por secagem e fluência, além de relacionar essas propriedades aos materiais, dosagem, umidade, temperatura, cura, entre outros.

3.3.4 Propriedades mecânicas

Conforme mencionado anteriormente, as propriedades mecânicas das pastas cimentícias melhoram com a adição de NFC, devido à retenção de água das NFC e ao aumento do grau de hidratação (cura interna), bem como a maior aderência das NFC e a matriz cimentícia. No entanto, altos teores de NFC são prejudiciais porque aumentam a porosidade e outros fatores devem ser levados em consideração para o desenvolvimento de propriedades mecânicas (^{Sun et al., 2016}; ^{Correia et al., 2018}; ^{Hisseine et al., 2018}a; ^{Hisseine et al., 2019}; ^{Kolour et al., 2020}; ^{Alzoubi et al., 2020}).

a) Resistência à compressão: A maioria dos estudos relata um aumento na resistência à compressão com a adição de NFC (^{Hisseine et al., 2019}; ^{Sun et al., 2017}). ^{Mejdoub et al. (2016}) encontraram um aumento na resistência à compressão em mais de 50% com 0,3% de NFC. Nos resultados de ^{Kolour et al. (2020}) para uma mistura com 0,15% de NFC, houve um aumento de até 31% após 7 dias e, para uma mistura com 0,09% de NFC, houve um aumento de até 16% após 28 dias. Em concreto autoadensável, Hisseine et al. (2018b) indicam uma tendência positiva na adição de NFC, a resistência à compressão aumentou em até 16%.

Kamasamudram et al. (2020) demonstraram que a adição de 0,1% de NFC com nanopartículas de sílica aumenta a resistência à compressão em 13% (a 90 dias) em relação ao lote de controle e em 10% em relação ao lote sem nanopartículas de sílica.

A adição de DCNF mostrou um aumento máximo de 15% na resistência à compressão para 0,05% e 0,1% de DCNF após 90 dias de cura. O aumento máximo da resistência à compressão da pasta de cimento curada por 90 dias com a adição de 0,1% de LCNF foi em torno de 16% (^{Kamasamudram et al., 2021}a).

A adição de NFC e material de mudança de fase levaram ao aumento da resistência à compressão da argamassa de cimento, onde o melhor resultado é alcançado com a adição de 0,5% de NFC, devido à redução da porosidade da argamassa (^{Alzoubi et al., 2020}).

Por outro lado, alguns estudos relatam que a adição de NFC não tem um efeito considerável na resistência à compressão de pastas de cimento (^{Kamasamudram et al., 2021}b), até por ser afetada adversamente devido à entrada de ar e aglomeração das NFC (^{Hisseine et al., 2018}b). Embora Nasiri et al. (2019) relatam um aumento na resistência à compressão (17-18%) com a adição de NFC, concentrações acima de 0,065% resultaram em pequenas melhorias na resistência em 7 dias e uma diminuição na resistência em 28 dias em comparação com o controle.

A Figura 4a apresenta o resumo da porcentagem de variação da resistência à compressão aos 28 dias em função da porcentagem de adição de NFC. É importante ressaltar que foram considerados apenas os estudos que disponibilizaram os dados. Quando os resultados da variação são classificados pela relação a/c (Figura 4b), observa-se que quanto menor a relação a/c, maior o percentual de variação positiva, 9,80% para uma relação a/c de 0,26 a 0,30, apresentando um único dado atípico. Adicionalmente, observa-se que, para esta relação a/c, existem apenas percentuais positivos e uma menor dispersão de dados (3-43%). Para as demais relações a/c, a dispersão dos dados é maior e são apresentados valores de redução da resistência à compressão.

b) Resistência à flexão: Para resistência à flexão, um efeito geralmente positivo é relatado (^{Hisseine et al., 2018}a; Hisseine et al., 2018b; Hisseine et al., 2019). Hisseine et al. (2019) descreve um aumento de até 25%. Kamasamudram et al. (2020) constataram que, com a adição de 0,1% do NFC, a resistência à flexão aumentou em 70%, valor próximo ao relatado por Kamasamudram et al. (2021b), 75%. Porcentagens ainda maiores foram apresentadas por ^{Kolour et al. (2020}), 116% e ^{Cengiz et al. (2017}), 169,7%.

^{Sun et al. (2016}) constataram que a flexão aumentou 20,7% para uma relação NFC/CPP de 0,04, atribuído ao aumento da hidratação e ao efeito de ligação dos NFC, mas também apontam que a adição excessiva de NFC é prejudicial devido à aglomeração das nanopartículas. Em trabalho mais recente dos mesmos autores, foi indicado que tanto a resistência à compressão quanto à flexão aumentou com a adição do GNP (2017).

No estudo de ^{Cengiz et al. (2017}) relata-se que a resistência à flexão em argamassas aumentou 2,7 vezes com a adição de NFC de algas, devido à alta relação de aspecto das NFC, que melhora a interface de ligação entre as NFC e pasta de cimento. No entanto, o uso de NFC comercial tem um efeito negativo sobre a tensão de flexão, devido à sua baixa relação de aspecto e insolubilidade.

^{Hisseine et al. (2018}a) indicaram efeitos positivos das NFC no desempenho mecânico das pastas cimentícias, devido à maior homogeneidade e estabilidade. Já no concreto autoadensável, os autores demonstraram que a capacidade de flexão e a resistência à tração na ruptura aumentam em até 21 e 26%, respectivamente. Hisseine et al. (2018b) também relatam a mesma tendência no concreto autoadensável, onde todas as propriedades mecânicas medidas foram melhoradas, apenas na flexão 22%, devido ao nanoreforço e cura interna.

Figura 4 a) Variação da resistência à compressão aos 28 dias, e b) dispersão de dados considerando a relação a/c.  

A resistência à flexão das pastas cimentícias pode aumentar de 20% até 111% com a adição de NFC, este último valor para 0,1% de NFC, tanto para DCNF quanto para LCNF (^{Kamasamudram et al., 2021}a).

A Figura 5a apresenta um detalhamento dos resultados relatados na literatura quanto à resistência à flexão aos 28 dias, observando que a maioria é positiva e com percentuais superiores em relação à resistência à compressão. A Figura 5b mostra que os resultados relatados para uma relação a/c de 0,31 a 0,40, são menos dispersos, com uma média de 29,3% e um único dado atípico (116,67%). Para uma a/c maior que 0,41 há uma média de 69,16%, mas uma maior dispersão dos dados. A dispersão para uma relação a/c de 0,26 a 0,30 não é apresentada, pois, há apenas um estudo dentro dessa faixa (^{Claramunt et al., 2019}).

Figura 5 a) Variação da resistência à flexão aos 28 dias, e b) dispersão de dados considerando a relação a/c.  

Por fim, a Figura 6 resume todos os resultados reportados na literatura tanto para a resistência à compressão (verde) quanto para a resistência à flexão (vermelho) de concretos e argamassas, mostrando efeitos positivos da adição de NFC, principalmente para resistência à flexão.

c) Mecânica de fratura: ^{Hisseine et al. (2019}) indica que a capacidade máxima de flexão ocorre com baixo teor de NFC (0,05-0,10%), mas a capacidade de absorção de energia aumenta com maiores teores de NFC, até 74%. Nesse sentido, Hisseine et al. (2018b) apontam que as NFC melhoram a absorção de energia (96%) o que se reflete no aumento do deslocamento máximo, em até 43%, comportamento necessário para estruturas resistentes a impactos e explosões. Aumentos significativos na energia de fratura, 60% no estudo de ^{Kolour et al. (2020}), sugerem que as NFC são um mecanismo de endurecimento eficaz, atuando como pontes que aumentam a energia necessária para a propagação de trincas.

Figura 6 Resistência à compressão e à flexão de concreto e argamassa. 

^{Hisseine et al. (2018}b) também relatam a mesma tendência no concreto autoadensável, onde todas as propriedades mecânicas medidas foram melhoradas. Foram obtidas melhorias de até 16% na compressão, 34% na tensão de divisão, 22% na flexão e 96% na absorção de energia. Essas melhorias foram atribuídas a dois efeitos transmitidos pelas NFC: nano resistência e cura interna.

O teor de 1% de NFC com 8% de polpa celulósica colabora na formação de pontes de transferência de tensões em nano e microfissuras, melhorando o desempenho mecânico dos compósitos antes e depois dos ensaios de envelhecimento acelerado: módulo de ruptura (MOR), tenacidade à fratura (KIC) e energia de fratura (FE), resultados atribuídos à aderência entre o NFC e a matriz de cimento (^{Correia et al., 2018}).

Compósitos reforçados com 2% de micro/nanofibras de celulose apresentaram maior limite de proporcionalidade (LOP), MOR e tenacidade do que os compostos de controle após 28 dias de cura (^{Fonseca et al., 2019}). ^{Ez-zaki et al. (2021}) indica que as NFC têm a capacidade de inchar, criando depósitos de água internos e podem se comportar como concentradores de estresse, causando o início de microfissuras.

A adição de baixos teores de NFC e NCC (entre 0,1 e 0,2% em peso), em sistemas de cimento de aluminato de cálcio (CAC), levou a um aumento geral nos valores de MOR em amostras não envelhecidas, ao contrário dos sistemas de cimento Portland (^{Claramunt et al., 2019}).

Na literatura, observa-se que as propriedades mecânicas têm sido amplamente investigadas, o que possibilita identificar tendências e entender melhor o efeito das NFC no comportamento mecânico de materiais cimentícios. No entanto, a maioria dos estudos apenas relatou resultados de resistência à compressão e flexão para pastas. O comportamento mecânico em outras aplicações específicas e de longo prazo ainda precisa ser explorado.

3.3.5 Outras propriedades

Neste tópico são apresentadas outras propriedades que têm sido investigadas em alguns trabalhos publicados, destacando que a durabilidade dos materiais cimentícios com NFC é o aspecto menos pesquisado, mas com crescente interesse nos últimos anos.

a) Penetração de íons sulfato: As NFC reduzem a penetração de íons sulfato dentro de um sistema cimentício. Foi observado que a adição de NFC (0,3-0,4%) ao cimento Portland Tipo GU proporcionou a mesma ou maior resistência ao ataque de sulfato do que um cimento Portland tipo HS especialmente formulado (^{Goncalves et al., 2019}).

b) Entrada de íons cloreto: O uso de NFC impede a penetração de íons cloreto. É atribuído à quantidade de grupos carboxila, que levam à restrição da entrada de cloreto, além de melhorar a trabalhabilidade (^{Goncalves et al., 2020}).

c) Módulo elástico: ^{Kamasamudram et al. (2021}b) observaram que 0,025% e 0,5% de NFC aumentaram o módulo de elasticidade da pasta de cimento em cerca de 200% e 250%. ^{Hisseine et al. (2019}) relataram um aumento de 18% e ^{Fonseca et al. (2019}) indicam que, em geral, compostos com NFC apresentam melhor desempenho mecânico e que o módulo de elasticidade dinâmico aumenta com o tempo mesmo quando expostos à intempérie. As NFC com cimento de aluminato de cálcio (CAC) apresentam um aumento no módulo de elasticidade em relação às misturas com cimento Portland (^{Claramunt et al., 2019}).

d) Porosidade: ^{Mejdoub et al. (2016}) indicaram que a porosidade em pastas de cimento foi reduzida com a adição de NFC, sendo o melhor resultado com 0,3% de NFC. Por outro lado, ^{Goncalves et al. (2019}) apontam que as NFC refinam o tamanho dos poros, registrando um aumento no volume total de micro e nanoporos; no entanto, houve uma redução da porosidade para tamanhos maiores que 10 mm.

e) Coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica: O uso de NFC aumentou tanto o coeficiente de expansão térmica quanto a condutividade térmica das pastas cimentícias, principalmente devido ao potencial das NFC em reduzir a porosidade e melhorar a microestrutura da matriz cimentícia (^{Mejdoub et al., 2016}). ^{Alzoubi et al. (2020}) também relataram um aumento na condutividade térmica de compostos PCM/NFC.

f) Exsudação: As NFC atuam como um agente de retenção de água e reservatórios de água para evitar a segregação e exsudação (^{Ez-zaki et al., 2021}). ^{Goncalves et al. (2021}) mostrou que a adição de NFC reduz significativamente o volume de água de exsudação. As NFC dificultam o assentamento dos grãos de cimento e obstruem a migração ascendente da água livre. No entanto, na presença de superplastificantes, as NFC são menos eficazes na redução da exsudação. Os autores consideram que o efeito de NFC na exsudação atenua a retração plástica, bem como a retração autógena durante os estágios iniciais de hidratação.

Por fim, notou-se a carência de estudos de avaliação dos impactos ambientais de compostos cimentícios com NFC; e, nesse sentido, estudos de Análise do Ciclo de Vida (ACV) poderiam ser realizados de forma complementar.