Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

Os pisos de concreto em fábricas, armazéns e espaços públicos movimentados enfrentam uma batalha constante contra o desgaste. Cada passo, cada carrinho de rodas e cada pneu de veículo esfrega contra a superfície, removendo lentamente o material e enfraquecendo a estrutura ao longo do tempo. Para construir pisos que durem, os engenheiros dependem do cimento, o agente aglutinante que mantém o concreto unido. No entanto, produzir este cimento traz um preço pesado: para cada tonelada de cimento produzida, quase 0,85 toneladas de dióxido de carbono são liberadas na atmosfera, contribuindo significamente para as mudanças climáticas. Esta realidade impulsionou pesquisadores a buscar maneiras de substituir parte do cimento com resíduos industriais, transformando um problema de poluição em uma solução de construção. Um desses subprodutos vem das refinarias de petróleo, onde partículas minúsculas chamadas catalisadores são usadas para ajudar a transformar o petróleo bruto em combustível. Uma vez que essas partículas cumprem seu trabalho, elas são descartadas como "catalisador gasto". Essas partículas são ricas em alumínio e sílica, os mesmos ingredientes encontrados nas rochas e areias que compõem o concreto, sugerindo que elas poderiam ser úteis em uma nova vida.

Uma equipe de pesquisadores partiu para testar se essas partículas descartadas de refinarias de petróleo poderiam ser misturadas ao concreto para criar pisos mais fortes e duráveis que também ajudem o meio ambiente. Eles focaram em dois tipos diferentes de misturas de concreto. A primeira era uma mistura de cimento padrão, onde as partículas de resíduos atuariam como um material de preenchimento para substituir parte do cimento. A segunda era uma mistura "ativada por álcali", um tipo mais avançado de concreto que utiliza uma solução química para aglutinar as partículas de resíduos sem o cimento tradicional. Os pesquisadores queriam ver como o tamanho das partículas de resíduos e o tipo de mistura afetavam a capacidade do concreto de resistir ao esmagamento, à flexão e ao constante atrito por abrasão. Eles também visavam criar um conjunto de regras que os engenheiros pudessem usar para prever quão forte um piso seria antes mesmo de despejar o concreto, baseando-se simplesmente na quantidade de resíduos adicionada e na finura das partículas.

A equipe começou reunindo seus materiais: cimento Portland padrão, areia de rio, água e as partículas de catalisador gasto de uma refinaria na Polônia. Eles separaram cuidadosamente as partículas de catalisador em dois tamanhos, um mais fino e outro mais grosso, para ver se o tamanho importava. Em seguida, criaram uma série de lotes de teste. Alguns lotes substituíam até 20 por cento do cimento com as partículas de resíduos, enquanto outros usavam as partículas como o ingredagem principal na mistura ativada por álcali. Para garantir que as misturas fossem trabalháveis, eles adicionaram um plastificante líquido para ajudar o concreto úmido a fluir facilmente para os moldes. Após o endurecimento do concreto, os pesquisadores submeteram as amostras a uma série rigorosa de testes. Eles esmagaram cubos do material para medir a resistência à compressão, dobraram vigas longas para testar a resistência à flexão e usaram uma máquina especializada que esfregava uma roda abrasiva pesada contra a superfície para medir quanto peso o material perdia ao longo do tempo. Este teste de abrasão é crucial porque simula anos de tráfego de pedestres e desgaste de veículos em questão de horas.

Os resultados revelaram uma divisão clara de desempenho dependendo de qual tipo de concreto era usado. Nas misturas de cimento padrão, a adição das partículas de resíduos funcionou de forma notável. Quando os pesquisadores substituíram 20 por cento do cimento pelo catalisador gasto, o concreto resultante tornou-se mais forte e mais resistente ao desgaste. A mistura com as partículas mais finas alcançou uma resistência à compressão de 52 megapascais e uma resistência à flexão de 8 megapascais, mostrando também uma melhoria de 18 por cento na resistência à abrasão em comparação com o cimento puro. As partículas de resíduos agiram como uma esponja, absorvendo água e reagindo com o cimento para preencher pequenas lacunas, criando um material mais denso e resistente. No entanto, a história foi diferente para as misturas ativadas por álcali. Nessas misturas, as partículas de resíduos não reagiram totalmente com o ligante químico. O material resultante foi significativamente mais fraco e sofreu muito mais desgaste, perdendo peso a uma taxa nove vezes maior do que as misturas de cimento após 28 dias. Os pesquisadores descobriram que o processo de ativação química estava incompleto, deixando muitas das partículas de resíduos não reagidas e mantidas frouxamente dentro da estrutura, o que fazia a superfície esfarelar facilmente sob fricção.

Para dar sentido a esses resultados complexos, os pesquisadores desenvolveram um conjunto de modelos matemáticos que poderiam prever o desempenho do concreto sem a necessidade de realizar todos os testes. Esses modelos não eram apenas palpites aleatórios; foram construídos sobre princípios físicos que ligavam a quantidade de resíduo adicionado, o tamanho das partículas, o tipo de ligante usado e a idade do concreto à sua força e durabilidade finais. Os modelos provaram ser altamente precisos, prevendo a resistência à compressão, a resistência à flexão e a perda por abrasão com uma margem de erro inferior a 7 por cento. Isso significa que, se um engenheiro souber a mistura específica que planeja, ele pode usar essas fórmulas para prever com confiança como o piso performará sob tráfego pesado. Os modelos confirmaram que, para o cimento padrão, adicionar o resíduo era uma situação de ganho mútuo, aumentando a força e a durabilidade. Para as misturas ativadas por álcali, os modelos destacaram que as receitas químicas atuais ainda não estão prontas para utilizar plenamente este resíduo, pois as partículas permanecem muito inertes para fornecer o poder de aglutinação necessário.

O estudo conclui que o uso de resíduos de refinaria de petróleo em concreto é um caminho viável, mas requer a abordagem correta. Substituir uma parte do cimento por essas partículas cria um material de alto desempenho que é mais resistente ao desgaste e reduz a pegada de carbono da construção. Os pesquisadores estimam que trocar 20 por cento do cimento poderia reduzir as emissões de carbono em aproximadamente 170 quilogramas para cada tonelada de ligante utilizado. No entanto, esse benefício só é realizado quando o resíduo é usado em misturas de cimento tradicionais, onde atua como um preenchimento reativo. Nos sistemas ativados por álcali, mais experimentais, a tecnologia ainda não é madura o suficiente para lidar com este resíduo específico de forma eficaz. O trabalho fornece um roteiro claro para a indústria da construção: ao selecionar cuidadosamente o tipo de concreto e o tamanho das partículas de resíduos, os construtores podem criar pisos que são não apenas mais sustentáveis, mas também mais duradouros, transformando um subproduto industrial em um alicerce para o futuro.