Silica fume as an industrial by-product modifier for reducing quicklime demand in earthen building materials: mechanical, microstructural and carbon-performance assessment

Resumo Técnico: Sílica Fume como Modificador para Materiais de Terra com Redução de Cal Viva

Definição do Problema
Os materiais de construção de terra oferecem vantagens ecológicas significativas, incluindo baixa energia incorporada e o uso de solos disponíveis localmente. No entanto, sua aplicação de engenharia generalizada é dificultada pelo desempenho mecânico e pela estabilidade da matriz insuficientes. Embora a cal viva seja um estabilizador comum que melhora a ligação entre partículas e a consolidação da matriz, sua produção envolve calcinação em alta temperatura e emissões de carbono associadas. Além disso, simplesmente aumentar a dosagem de cal viva não garante melhorias proporcionais de desempenho e pode afetar negativamente a trabalhabilidade e a economia da mistura. Consequentemente, há uma necessidade de reduzir a demanda de cal viva mantendo ou melhorando o desempenho do material. Embora a sílica fume seja reconhecida por seus efeitos de preenchimento e reatividade em sistemas ricos em cálcio, seu papel específico como substituta parcial da cal viva em materiais de terra permanece subinvestigado, particularmente quanto aos efeitos acoplados no comportamento no estado fresco, na microestrutura e no desempenho de carbono.

Metodologia
O estudo empregou um design de substituição controlada para investigar a sílica fume como um substituto parcial para a cal viva. Cinco grupos de misturas (S0–S4) foram preparados utilizando loess, areia, fibra de palha e alginato de sódio como componentes constantes. O componente variável foi a fração do aglutinante, onde a sílica fume substituiu progressivamente a cal viva:

• S0: Mistura de referência (0% de sílica fume, 31,5 partes de cal viva).
• S1–S4: Níveis crescentes de substituição de sílica fume (1,5, 3,1, 4,7 e 6,3 partes, respectivamente), correspondendo a 4,8%, 9,8%, 14,9% e 20,0% de substituição dentro da fração de aglutinante de cal viva–sílica fume.

A avaliação experimental incluiu:

1. Comportamento no Estado Fresco: Testes de mini-slump e fluidez (ASTM C230/C230M-20) para avaliar a trabalhabilidade e a retenção de forma.
2. Desempenho Mecânico: Testes de resistência à compressão de 28 dias em corpos de prova cúbicos de 70,7 mm (JGJ/T 70).
3. Análise Microestrutural: Difração de raios X (XRD) para identificação de fases, Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) para morfologia e Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) para composição elementar local (equilíbrio Ca–Si–Al).
4. Desempenho de Carbono: Uma avaliação simplificada de carbono relacionada ao aglutinante calculada sob um limite de berço ao portão (cradle-to-gate). Isso incluiu razões de economia de cal viva, intensidade de carbono normalizada pela resistência e um índice de ecoeficiência, comparando as misturas sob um cenário de base onde a sílica fume é tratada como um material secundário com carga de processamento adicional zero.

Principais Resultados

• Comportamento no Estado Fresco: O aumento do conteúdo de sílica fume reduziu progressivamente o slump e a fluidez (por exemplo, o diâmetro de espalhamento diminuiu de 113,03 mm em S0 para 105,45 mm em S4). Embora a mobilidade tenha diminuído, a capacidade de retenção de forma melhorou, indicando aumento da coesão e redução da deformação sob o próprio peso.
• Resistência à Compressão: Níveis de substituição baixos a moderados aumentaram o desempenho mecânico. S1 alcançou a maior resistência (1,199 MPa), um aumento de 9,6% sobre a referência S0 (1,094 MPa). S2 também apresentou melhoria de 7,1% (1,172 MPa). Inversamente, níveis de substituição mais altos (S3 e S4) resultaram em reduções significativas de resistência (aproximadamente 19% e 18% menores que S0), atribuídas ao desequilíbrio entre preenchimento, trabalhabilidade e estabilização.
• Características Microestruturais:
  • XRD: Nenhuma nova fase cristalina foi detectada; as principais fases (quartzo, calcita, minerais de argila) permaneceram consistentes em todos os grupos.
  • SEM: A substituição de baixo a moderado (S1, S2) melhorou o empacotamento de partículas e a compacidade da matriz, preenchendo vazios entre partículas mais grossas. A substituição alta (S3, S4) levou a características heterogêneas, aglomeração local e contatos descontínuos.
  • EDS: A análise elementar revelou variações não lineares na razão local Ca/(Si+Al). O alto conteúdo de cálcio local (ex: em S3) não se correlacionou com a melhoria da resistência, sugerindo que o desempenho mecânico depende do efeito combinado da disponibilidade de cálcio, preenchimento rico em sílica e homogeneidade da matriz, em vez de apenas o conteúdo de cálcio.
• Desempenho de Carbono: Embora a substituição por sílica fume tenha reduzido a demanda de cal viva (até 20% em S4), o equilíbrio ideal entre resistência e carbono foi alcançado em níveis de substituição mais baixos. S1 e S2 exibiram a menor intensidade de carbono normalizada pela resistência e os maiores índices de ecoeficiência, pois combinaram a redução de cal viva com a melhoria ou manutenção da resistência à compressão. S3 e S4, apesar de maiores economias de cal viva, sofreram penalidades mecânicas que diminuíram sua ecoeficiência geral.

Contribuições Principais e Significância
O artigo estabelece que a sílica fume funciona efetivamente como um modificador suplementar, em vez de um substituto direto de alta dosagem para a cal viva em materiais de terra. O estudo identifica uma faixa de substituição razoável de 1,5–3,1 partes de sílica fume por 100 partes de materiais secos (aprox. 4,8%–9,8% da fração de aglutinante). Dentro desta faixa, a sílica fume melhora a compacidade da matriz e reduz a demanda de cal viva sem comprometer a integridade mecânica.

A significância do trabalho reside em sua avaliação acoplada do desempenho mecânico e ambiental. Os autores demonstram que maximizar a dosagem de substituição não produz necessariamente o melhor resultado de sustentabilidade; em vez disso, é necessário um equilíbrio ideal entre micropreenchimento, estabilização por cal e trabalhabilidade. Ao introduzir indicadores de carbono normalizados pela resistência, o estudo fornece uma estrutura para avaliar modificações de materiais de terra que considera tanto a redução de carbono incorporado quanto o desempenho de engenharia. Os achados sugerem que o design de materiais de terra sustentáveis deve priorizar estratégias de substituição equilibradas em vez da simples maximização do uso de subprodutos industriais.

Limitações
Os autores observam que a avaliação de carbono foi simplificada, focando apenas na fração do aglutinante e excluindo as etapas de transporte, construção e fim de vida. Adicionalmente, indicadores de durabilidade de longo prazo, como resistência à água e comportamento de umedecimento-secagem, não foram avaliados. Os resultados são apresentados como evidência experimental de nível de triagem, em vez de uma avaliação abrangente de ciclo de vida ou de durabilidade.