High-value reuse of coal gangue through fiber- reinforced pavement-base composites: Mechanical performance and model-based feasibility

Todos os anos, a indústria mundial do carvão produz uma quantidade impressionante de restos de rocha e terra, um resíduo conhecido como ganga de carvão. Este material, que constitui um quarto do carvão bruto extraído da terra, é geralmente acumulado em montanhas enormes e antiestéticas que ocupam terreno, poluem o solo e podem até pegar fogo por conta própria. Durante décadas, engenheiros têm procurado formas de transformar este resíduo em algo útil, muitas vezes triturando-o para usar na construção de estradas. No entanto, simplesmente misturar esta rocha triturada com cimento para fazer uma base de estrada tem uma falha: o material resultante pode ser quebradiço, o que significa que pode rachar facilmente sob o peso pesado e repetido de camiões. Para resolver isto, investigadores começaram a experimentar a adição de fibras minúsculas à mistura, de forma muito semelhante à adição de vergalhões de aço ao betão, para tornar o material mais resistente e menos propenso a quebrar.

Uma equipa de investigadores da China e da Austrália estabeleceu o objetivo de encontrar o equilíbrio perfeito para este novo tipo de material rodoviário. Eles criaram uma mistura composta utilizando ganga de carvão, cinzas volantes (um pó fino proveniente de centrais elétricas), cimento e fibras de basalto cortadas. O seu objetivo era determinar exatamente quanta fibra era necessária para tornar a base da estrada forte sem a tornar demasiado macia ou demasiado rígida. Eles testaram misturas contendo diferentes quantidades de fibra, variando de uma quantidade muito pequena a uma concentração mais elevada, e submeteram-nas a rigorosos testes de laboratório. Eles esmagaram o material para ver quanto peso conseguia suportar antes de quebrar, puxaram-no para testar a sua resistência ao fissuramento e mediram o quanto ele recuperava após ser comprimido. Também utilizaram microscópios poderosos para observar as estruturas minúsculas dentro do material e realizaram simulações computacionais para ver como uma estrada feita desta mistura se comportaria sob o tráfego real.

Os experimentos revelaram um ponto ideal claro para a quantidade de fibra a utilizar. Quando os investigadores adicionaram uma pequena quantidade de fibra de basalto, o material tornou-se mais forte, mas apenas até certo ponto. A mistura com 0,6 por cento de fibra por peso provou ser a campeã, alcançando a maior resistência tanto nos testes de compressão como nos de tração. Neste nível, o material conseguiu suportar uma força de esmagamento de quase 14,5 megapascais após 28 dias de cura, uma melhoria significativa em relação às misturas com menos ou mais fibra. Curiosamente, adicionar mais fibra do que esta quantidade ideal tornou o material mais fraco, provavelmente porque as fibras começaram a aglomerar-se em vez de se espalharem uniformemente. Embora a mistura de 0,6 por cento fosse a mais forte, os investigadores também descobriram um compromisso: à medida que adicionavam mais fibra, o material tornava-se ligeiramente menos rígido, o que significa que iria flexionar um pouco mais sob carga em vez de permanecer rígido. Isto sugere que, embora as fibras tornem a estrada mais resistente ao fissuramento, elas também a tornam ligeiramente mais flexível.

Para compreender como este material desempenharia num autêntico autoestrada, a equipa construiu um modelo computacional tridimensional detalhado de uma secção de estrada. Eles simularam uma autoestrada de quatro faixas com uma camada de base feita da sua melhor mistura e observaram como a estrada assentava e reagia a veículos em movimento. A simulação mostrou que a quantidade de fibra na camada de base teve um efeito surpreendentemente pequeno na medida em que a estrada afundava sob o tráfego. Quer o conteúdo de fibra fosse de 0,2 por cento ou 0,8 por cento, a diferença no assentamento da estrada foi mínima. Em vez disso, as simulações revelaram que a velocidade dos veículos e o peso do tráfego eram fatores muito mais importantes. Quando os veículos se moviam lentamente, a estrada assentava significativamente mais porque a carga pesada permanecia num único lugar durante mais tempo, pressionando com mais força. Inversamente, veículos mais rápidos causavam menos assentamento. Da mesma forma, camiões mais pesados causavam um afundamento muito maior do que os mais leves. Isto indica que, embora o material em si seja robusto, o comportamento da estrada é impulsionado mais pela forma como o tráfego se move sobre ela do que pelas pequenas variações no conteúdo de fibra.

Ao olhar de perto para o material através de um microscópio, os investigadores viram como a magia da mistura realmente funcionava. As partículas de ganga de carvão, que são naturalmente rugosas e irregulares, forneceram uma boa superfície para o cimento aderir. À medida que a mistura envelhecia, o cimento e as cinzas volantes reagiam para formar uma substância densa, semelhante a uma cola, que preenchia os espaços entre as partículas de rocha. As fibras de basalto foram encontradas incrustadas nesta matriz endurecida, agindo como pequenas pontes que poderiam manter o material unido caso uma fissura começasse a formar-se. As imagens mostraram que, após 28 dias, o material se tinha tornado muito mais denso e sólido do que após apenas uma semana, com menos espaços vazios e melhores ligações entre todos os ingredientes. Esta evidência microscópica confirmou que as fibras não estavam apenas lá paradas, mas estavam a interagir ativamente com a pasta de cimento para reforçar a estrutura.

Em última análise, este estudo fornece um caminho claro para utilizar a ganga de carvão de uma forma de alto valor. Ao encontrar a quantidade precisa de fibra necessária, os engenheiros podem criar bases de estrada que são fortes, duráveis e capazes de lidar com tráfego pesado sem a fragilidade dos materiais tradicionais. A investigação sugere que, embora a mistura específica de ingredientes seja importante, a forma como conduzimos nestas estradas — especificamente a nossa velocidade e o peso dos nossos veículos — desempenha um papel ainda maior em como a estrada resistirá ao longo do tempo. Este trabalho transforma um enorme problema ambiental numa solução prática, oferecendo uma forma de construir infraestruturas sustentáveis que são simultaneamente fortes e flexíveis o suficiente para durar.