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Apesar das muitas vantagens do concreto como material de construção moderno, incluindo sua alta resistência, baixo custo e facilidade de fabricação, sua produção atualmente responde por aproximadamente 8% das emissões globais de dióxido de carbono.
Descobertas recentes de uma equipe do MIT revelaram que a introdução de novos materiais nos processos de fabricação de concreto existentes pode reduzir significativamente essa pegada de carbono, sem alterar as propriedades mecânicas do concreto.
As descobertas foram publicadas hoje na revista PNAS Nexusem um artigo dos professores de engenharia civil e ambiental do MIT Admir Masic e Franz-Josef Ulm, pós-doutorado do MIT Damian Stefaniuk e estudante de doutorado Marcin Hajduczek, e James Weaver do Instituto Wyss da Universidade de Harvard.
Depois da água, o concreto é o segundo material mais consumido no mundo e representa a pedra angular da infraestrutura moderna. Durante sua fabricação, no entanto, grandes quantidades de dióxido de carbono são liberadas, tanto como subproduto químico da produção de cimento quanto na energia necessária para alimentar essas reações.
Aproximadamente metade das emissões associadas à produção de concreto vem da queima de combustíveis fósseis, como petróleo e gás natural, que são usados para aquecer uma mistura de calcário e argila que, por fim, se torna o conhecido pó cinza conhecido como cimento Portland comum (OPC). . Embora a energia necessária para esse processo de aquecimento possa eventualmente ser substituída por eletricidade gerada a partir de fontes renováveis de energia solar ou eólica, a outra metade das emissões é inerente ao próprio material: como a mistura mineral é aquecida a temperaturas acima de 1.400 graus Celsius (2.552 graus Fahrenheit), ele sofre uma transformação química de carbonato de cálcio e argila em uma mistura de clínquer (consistindo principalmente de silicatos de cálcio) e dióxido de carbono – com o último escapando para o ar.
Quando o OPC é misturado com água, areia e material de cascalho durante a produção de concreto, torna-se altamente alcalino, criando um ambiente aparentemente ideal para o sequestro e armazenamento de longo prazo de dióxido de carbono na forma de materiais de carbonato (um processo conhecido como carbonatação). Apesar desse potencial do concreto de absorver naturalmente o dióxido de carbono da atmosfera, quando essas reações ocorrem normalmente, principalmente dentro do concreto curado, podem tanto enfraquecer o material quanto diminuir a alcalinidade interna, o que acelera a corrosão da armadura. Esses processos acabam destruindo a capacidade de carga do edifício e impactam negativamente seu desempenho mecânico a longo prazo. Como tal, essas lentas reações de carbonatação em estágio avançado, que podem ocorrer em escalas de tempo de décadas, há muito são reconhecidas como caminhos indesejáveis que aceleram a deterioração do concreto.
“O problema com essas reações de carbonatação pós-cura”, diz Masic, “é que você interrompe a estrutura e a química da matriz de cimentação, que é muito eficaz na prevenção da corrosão do aço, que leva à degradação”.
Em contraste, os novos caminhos de sequestro de dióxido de carbono descobertos pelos autores dependem da formação inicial de carbonatos durante a mistura e vazamento do concreto, antes que o material endureça, o que pode eliminar em grande parte os efeitos prejudiciais da absorção de dióxido de carbono após a cura do material.
A chave para o novo processo é a adição de um ingrediente simples e barato: bicarbonato de sódio, também conhecido como bicarbonato de sódio. Em testes de laboratório usando a substituição de bicarbonato de sódio, a equipe demonstrou que até 15% da quantidade total de dióxido de carbono associado à produção de cimento pode ser mineralizado durante esses estágios iniciais – o suficiente para causar um impacto significativo na pegada de carbono global do material.
“É tudo muito empolgante”, diz Masic, “porque nossa pesquisa avança o conceito de concreto multifuncional ao incorporar os benefícios adicionais da mineralização do dióxido de carbono durante a produção e a fundição”.
Além disso, o concreto resultante endurece muito mais rapidamente por meio da formação de uma fase composta anteriormente não descrita, sem afetar seu desempenho mecânico. Este processo, portanto, permite que a indústria da construção seja mais produtiva: as formas podem ser removidas mais cedo, reduzindo o tempo necessário para concluir uma ponte ou edifício.
O compósito, uma mistura de carbonato de cálcio e hidrato de cálcio e silício, “é um material totalmente novo”, diz Masic. “Além disso, por meio de sua formação, podemos dobrar o desempenho mecânico do concreto inicial.” No entanto, acrescenta, esta pesquisa ainda é um esforço contínuo. “Embora não esteja claro como a formação dessas novas fases afetará o desempenho a longo prazo do concreto, essas novas descobertas sugerem um futuro otimista para o desenvolvimento de materiais de construção neutros em carbono”.
Embora a ideia da carbonatação do concreto em estágio inicial não seja nova e existam várias empresas existentes que estão atualmente explorando essa abordagem para facilitar a absorção de dióxido de carbono depois que o concreto é lançado na forma desejada, as descobertas atuais da equipe do MIT destacam o fato de que o A capacidade de pré-cura do concreto para sequestrar o dióxido de carbono tem sido amplamente subestimada e subutilizada.
“Nossa nova descoberta pode ser combinada com outras inovações recentes no desenvolvimento de aditivos de concreto com pegada de carbono mais baixa para fornecer materiais de construção muito mais ecológicos e até mesmo com carbono negativo para o ambiente construído, transformando o concreto de um problema em uma parte de uma solução “, diz Masic.
A pesquisa foi apoiada pelo Concrete Sustainability Hub do MIT, que tem patrocínio da Portland Cement Association e da Concrete Research and Education Foundation.
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