Resíduos de Construção e Demolição

Esta linha de pesquisa visa estudar as possíveis aplicações de Resíduos de Construção e Demolição (RCD) em novos materiais da construção civil. A reciclagem dos Resíduos de Construção e Demolição (RCD) como agregados para materiais cimentícios (concreto e argamassa) é uma alternativa com grande potencial ambiental, pois pode minimizar o impacto causado tanto pela extração de recursos naturais quanto pela disposição inadequada desses resíduos. As pesquisas em andamento englobam todo o processo de produção, desde as etapas de processamento dos resíduos em escala industrial até a extensa caracterização de diversas propriedades dos materiais reciclados. Os materiais cimentícios produzidos com agregados reciclados são avaliados quanto às propriedades físicas, mecânicas, estruturais e de durabilidade, além de seu comportamento sob condições extremas como incêndios, carbonatação, ciclos de congelamento e descongelamento e ciclos de molhagem e secagem.

Resíduos sólidos urbanos

Nesta linha de pesquisa estuda-se:
I - A utilização de escórias resultantes da incineração dos resíduos sólidos urbanos, após seu aproveitamento calorífico na produção de energia, como materiais suplementares no concreto;
II -  a utilização da cinza do lodo de Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs) como materiais suplementares no concreto.

Resíduos industriais

Nesta linha de pesquisa estuda-se:
I - A utilização de resíduos da indústria siderúrgica tais como escórias de alto forno, escórias de cobre, etc., como constituintes do concreto;
II - a utilização de resíduos da indústria automotiva (borracha de pneu) como agregado reciclado no concreto; 
III - o uso de resíduos da indústria petro-química tais como os resíduos de unidades de craqueamento catalítico fluido (FCC) e da perfuração de poços de petróleo como constituintes do concreto;
IV - o uso de resíduos de termo-elétricas tais como cinzas volantes como aditivos minerais no concreto; 
V - o uso de resíduos da indústria mineral tais como o pó-de-pedra resultante da produção de brita e os resíduos da produção de pedras ornamentais como agregado miúdo ou filer no concreto;
VI - o uso de resíduos da indústria cerâmica como material cimentíceo suplementar;
VII - o uso de resíduos da indústria de papel tais como o caulim, o calcáreo e os resíduos de celulose como material cimentíceo suplementar
VIII - a destinação sustentável dos rejeitos de mineração.

Pozolanas agroindustriais e naturais

Ao longo dos últimos anos, o NUMATS vem desenvolvendo pesquisas sobre materiais cimentícios de baixo impacto ambiental tais como pozolanas naturais e agroindustriais. Destacam-se dentro dessa linha de pesquisa:
I - a utilização das cinzas resultantes da queima do bagaço da cana-de- açúcar, após seu aproveitamento calorífico na produção de energia, como material cimentíceo suplementar;
II - a utilização das cinzas resultantes da queima da casca de arroz após seu aproveitamento calorífico na produção de energia;
III - a produção de pozolanas altamente reativas a partir da queima controlada casca de arroz e do bagaço da cana-de-açúcar; 
IV - a produção de nano-sílica gel a partir da cinza do bagaço de cana-de-açúcar e da casca do arroz;
V - o desenvolvimento de blendas cimentícias com baixo teor de hidróxido de cálcio, a partir do uso de sílica ativa, metacaulinita e cinza volante, para uso em compósitos com fibras naturais e bioconcretos;
VI - o estudo das propriedades reológicas, físicas e mecânicas de concretos com cinza do bagaço da cana de açúcar e cinza da casca de arroz de classe de resistência variada;
VII - o estudo da durabilidade, fluência e retração de concretos contendo cinza do bagaço de cana de açúcar e casca de arroz;
VIII - o estudo da cinza da casca de arroz na mitigação da retração autógena de concretos de alto desempenho.

Geopolímeros

A variedade de fontes precursoras e de ativadores alcalinos permite a obtenção de geopolímeros com uma variabilidade de propriedades e vantagens frente aos cimentos Portland convencionais. Dentre as vantagens destacam-se principalmente o baixo impacto ambiental, quando concebidos a partir de resíduos e/ou insumos locais e por não serem cáusticos, tóxicos ou inflamáveis; além de seu alto desempenho e durabilidade químico-mecânica, em função da baixíssima permeabilidade e porosidade de sua matriz. Estas características permitem inúmeras aplicações, dentre as quais listam-se: cimentos, compósitos e concretos; revestimentos, adesivos e resinas; encapsulamento de resíduos; materiais resistentes ao fogo e refratários; isolamento térmico. O NUMATS desenvolve pesquisas relacionadas a
I - avaliação da reatividade de precursores contendo altos teores de impurezas minerais, a fim de viabilizar a dosagem e desempenho de matrizes geopoliméricas visando sua aplicação em poços do pré-sal;
II - o desempenho e compatibilidade de matrizes, argamassas e concretos geopoliméricos termicamente ativados e reforçadas com fibras termo-resistentes;
III - o desempenho e compatibilidade de matrizes geopoliméricas reforçadas com fibras naturais quimicamente modificadas;
IV - a durabilidade de concretos geopoliméricos frente ao ataque acelerado de íons cloreto.

Esta linha de pesquisa dedica-se à modelagem de fenômenos característicos dos materiais sustentáveis, podendo ser destacada:
I - O escoamento e transporte em meios porosos;
II - os acoplamentos termo-químico-mecânicos;
III - a mecânica dos materiais compósitos sustentáveis;
IV - a modelagem computacional em nano, micro, meso e macro-escala.

Exemplos  de modelagem numérica de estruturas massivas incluem: usinas hidrelétricas e fundações de aerogeradores; modelagem da bainha de cimentação de poços de petróleo submetida a carregamentos e estados de tensão complexos e a modelagem numérica dos concretos refratários para refinarias de petróleo submetidos a altas temperaturas (550ºC). Todos estes casos de modelagem envolvem geometrias tridimensionais e modelos constitutivos complexos o que exige um alto desempenho computacional. Sendo assim, os diversos modelos acima referidos são implementados em arquiteturas computacionais otimizadas que permitem a execução de exemplos cada vez mais próximos da realidade.

Na linha de materiais cimentícios avançados, os pesquisadores do NUMATS buscam desenvolver matrizes de alto desempenho e autoadensáveis à base de cimento aproveitando as ferramentas da ciência dos materiais, da química e da modelagem numérica. A avaliação do desempenho da matriz não é feita somente em termos da resistência, enfoque tradicional da tecnologia do concreto, mas usando uma ampla gama de propriedades tais como trabalhabilidade, densidade, deformabilidade, permeabilidade e durabilidade. Adicionalmente, aplicações da nanotecnologia permitem obter matrizes de cimento inteligentes, mudando a ênfase dos desenvolvimentos dessas matrizes para a multifuncionalidade.

Na área do concreto de alto e ultra-alto desempenho o principal objetivo é obter compósitos de alta resistência à tração e flexão e alta capacidade de deformação com controle da abertura de fissuras, usando reforços têxteis, fibras metálicas, poliméricas, minerais ou vegetais como elementos de reforço. Materiais pozolânicos, resíduos minerais, biomassa, nanopartículas e nanofibras são usados como elementos para modificar as propriedades dos compósitos na nano, micro, meso e macro-escalas.

Na área dos concretos inteligentes, o objetivo é desenvolver materiais multifuncionais à base de cimento, que além de cumprir suas funções como elementos estruturais, consigam responder a estímulos ambientais. Concretos autolimpantes, auto-sensitivos, cicatrizantes e armazenadores de calor latente, são algumas das funcionalidades adicionais que estão sendo estudadas. Na área dos materiais para construção digitalizada à base de cimento, a reologia é usada como principal ferramenta para entender os requisitos mínimos das matrizes cimentícias em estado fresco, para serem aplicadas em processos de extrusão, pultrusão, corte em estado fresco, impressão 3D e prensagem. Os sistemas adaptáveis ou ativos, e a IoT aplicada às edificações também são objeto de estudo no NUMATS.