Probabilistic Reliability Assessment of Biochar-Modified Cementitious Composites Using Monte Carlo Simulation

Resumo Técnico: Avaliação Probabilística de Confiabilidade de Compósitos Cimentícios Modificados com Biochar

Definição do Problema
Compósitos cimentícios modificados com biochar são cada vez mais investigados como materiais de construção de menor emissão de carbono, capazes de armazenar carbono derivado de biomassa enquanto modificam a hidratação, a estrutura de poros e o empacotamento da matriz. No entanto, a literatura apresenta um desafio significativo para a interpretação orientada ao projeto: os resultados de resistência publicados são altamente heterogêneos. As variações no tipo de matriz, matéria-prima, temperatura de pirólise, tamanho de partícula, condições de umidade, regimes de cura e estratégias de dosagem tornam as comparações diretas difíceis.

Uma limitação recorrente nos estudos existentes é a dependência de valores médios determinísticos entre tratamento e controle para tirar conclusões. Essa abordagem frequentemente falha em considerar a variabilidade experimental, podendo exagerar melhorias fracas ou obscurecer os mecanismos específicos (ex: cura por carbonatação, cura interna) que impulsionam o desempenho em sistemas especializados. Além disso, a meta-análise formal é frequentemente dificultada pelo relato incompleto de desvios padrão, tamanhos de amostra ou dados brutos na literatura mais ampla de biochar-cimento, tornando o peso de variância inversa inapropriado para muitos registros.

Metodologia
Para abordar essas lacunas, este estudo desenvolveu uma estrutura de confiabilidade de Monte Carlo reproduzível, derivada da literatura. A análise utilizou um banco de dados curado de 240 registros pareados de resistência à compressão aos 28 dias extraídos de 30 estudos primários.

• Extração de Dados: Os registros foram incluídos apenas se contivessem um controle correspondente, uma média de resistência à compressão aos 28 dias extraível para a mistura modificada com biochar e um nível de dosagem claro. As médias de tratamento foram obtidas de tabelas/texto ou digitalizadas de figuras.
• Tratamento de Incerteza: Um componente crítico da metodologia foi o tratamento explícito da incerteza.
  • Onde os artigos de origem reportaram desvios padrão (DP), erros padrão ou barras de erro visíveis, estes foram convertidos em valores de DP.
  • Para os 123 registros que careciam de valores de incerteza utilizáveis, o DP foi imputado usando suposições de Coeficiente de Variação (CV) de 5%, 10%, 15% e 20%. O cenário CV10 (10%) serviu como o caso de referência.
• Simulação: Para cada registro pareado, as resistências de tratamento e controle foram simuladas usando distribuições normais truncadas em zero ($X_{T,i} \sim N(\mu_{T,i}, \sigma_{T,i}^2)$ e $X_{C,i} \sim N(\mu_{C,i}, \sigma_{C,i}^2)$).
• Métrica de Confiabilidade: O principal resultado foi $P(\text{tratamento} \geq \text{controle})$, representando a probabilidade de a mistura modificada com biochar igualar ou exceder seu controle correspondente sob o cenário de incerteza selecionado. As simulações foram executadas para 100.000 iterações por registro.
• Análise de Sensibilidade: Uma verificação de "exclusão" foi realizada no intervalo de dosagem >2,5–5% para avaliar a influência de sistemas especializados (especificamente registros de argamassa curada por carbonatação e concreto espumado/cura interna).

Resultados Principais
Sob o cenário de referência CV10, o estudo descobriu que a confiabilidade não é uniforme entre os níveis de dosagem e depende fortemente do tipo de sistema:

• Intervalos de Dosagem Ótimos: O intervalo de dosagem >2,5–5% demonstrou a maior confiabilidade geral ($n=75$; média $P=0,610$; mediana $P=0,678$), seguido de perto pelo intervalo 1–2,5% ($n=75$; média $P=0,583$; mediana $P=0,666$).
• Dosagens Baixas e Altas:
  • O intervalo <1% mostrou baixa confiabilidade ($n=22$; média $P=0,331$), sugerindo que mudanças em dosagens muito baixas frequentemente caem dentro da dispersão experimental.
  • O intervalo >5–10% foi mais heterogêneo ($n=57$; média $P=0,479$).
  • O intervalo >10% permaneceu geralmente desfavorável para a confiabilidade da resistência à compressão ($n=11$; média $P=0,113$; mediana $P=0,002$).
• Dependência do Sistema: A alta confiabilidade observada no intervalo >2,5–5% foi parcialmente impulsionada por sistemas especializados. A remoção dos registros de argamassa curada por carbonatação (Chen et al.) e registros de concreto espumado (Song et et al.) do conjunto de dados reduziu a probabilidade média para este intervalo de 0,610 para 0,450. Isso indica que o "ótimo" aparente não é uma regra universal, mas é contingente ao design da matriz e aos mecanismos de cura.
• Qualidade dos Dados: Dos 240 registros, 170 (70,8%) exigiram digitalização de figuras e 123 exigiram imputação de incerteza baseada em CV, destacando as limitações atuais nos padrões de relato dentro da área.

Significado e Alegações
O artigo posiciona sua contribuição não como a identificação de uma dosagem ótima universal de biochar, mas como um método de triagem transparente para avaliar a confiabilidade da manutenção da resistência sob condições de evidência heterogêneas.

• Complemento à Meta-análise: A estrutura complementa a meta-análise formal. Embora a meta-análise seja preferível quando dados completos de tamanho de efeito e incerteza estão disponíveis, esta abordagem de Monte Carlo é projetada para literatura ampla, heterogênea e parcialmente incompleta, onde a união tradicional de dados não é viável.
• Mudança de Perspectiva: O estudo argumenta que o desempenho deve ser compreendido em termos de confiabilidade dependente de mecanismo, em vez de um único alvo de dosagem. A mesma dosagem nominal pode gerar diferentes resultados de confiabilidade dependendo se o biochar atua como substituição de cimento, filler, agente de cura interna ou parte de uma estratégia de cura especializada.
• Necessidades de Relato: Os autores concluem que uma síntese quantitativa mais forte exige melhor relato de resistência média, desvio padrão, tamanho de amostra, design da mistura e características do biochar.
• Limitações: Os autores declaram explicitamente que os resultados são estimativas de nível de triagem, não estimativas inferenciais agrupadas formais. Eles alertam contra a generalização dos achados para diferentes matrizes cimentícias (ex: concreto convencional vs. compósitos cimentícios engenheirados) sem considerar designs de mistura e mecanismos específicos. Dosagens altas de biochar ainda podem oferecer benefícios para redução de retração, desempenho térmico ou armazenamento de carbono, mas estes requerem avaliações de confiabilidade específicas para o endpoint, em vez de inferências baseadas apenas na resistência à compressão.