Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

O concreto é a espinha dorsal silenciosa do mundo moderno, um material tão onipresente que raramente paramos para considerar como é feito. Em seu cerne reside o cimento Portland, um pó fino criado pelo esmagamento de rochas e minerais em enormes moinhos industriais. Este pó é o ingrediente fundamental que, quando misturado com água, endurece nas estruturas que nos abrigam e sustentam nossas cidades. No entanto, a jornada da rocha bruta ao cimento acabado é intensiva em energia e gera uma quantidade significativa de calor. Quando o pó é moído de forma muito grosseira, ele reage de maneira lenta e irregular; quando é moído de forma muito fina sem auxílio, o processo desperdiça vastas quantidades de eletricidade. Além disso, uma vez adicionada a água, a reação química que transforma a mistura em pedra libera calor. Se esse calor se acumular rápido demais, pode causar rachaduras no concreto antes mesmo de ele secar, enfraquecendo a estrutura final. Por décadas, engenheiros buscaram formas de tornar esse processo mais suave, rápido e eficiente, frequentemente usando aditivos químicos para guiar a reação.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade HSNC, em Mumbai, explorou agora um novo caminho, recorrendo a uma classe de líquidos conhecidos como solventes eutéticos profundos. Estes não são os ácidos agressivos ou corrosivos do passado, mas sim misturas suaves criadas pela combinação de dois ingredientes comuns e seguros: um sal derivado da colina, um nutriente encontrado em muitos alimentos, e o etilenoglicol, uma substância frequentemente usada em anticongelantes. Quando misturados em uma proporção específica e aquecidos, esses dois líquidos formam um novo fluido estável que se comporta de forma diferente de cada ingrediente isoladamente. Os pesquisadores, Kuldeep Rajpurohit, Ashok Pandey e Hemlata Bagla, decidiram testar se este fluido verde, que nomearam de ethaline, poderia atuar como um guia útil para o cimento. O objetivo deles era ver se a adição de uma pequena quantidade deste líquido durante o processo de moagem e o processo de mistura poderia melhorar como o cimento é feito, como ele flui e quão forte ele se torna.

O estudo começou com a criação da mistura de ethaline e a compreensão de seu comportamento básico. Os pesquisadores descobriram que o líquido flui de forma suave e previsível, muito parecido com a água, mas sua viscosidade muda dependendo de quão quente ele está. À medida que a temperatura aumenta, o líquido torna-se mais fluido e flui mais facilmente. Esta propriedade é crucial porque significa que o líquido pode se espalhar rapidamente e revestir as partículas de cimento uniformemente, mesmo sob o intenso calor e a fricção de um moinho de moagem. Para confirmar que os dois ingredientes haviam realmente se combinado em uma nova substância, a equipe utilizou uma técnica que mede como a luz vibra através de um material. Os resultados mostraram que as moléculas de fato se ligaram através de forças invisíveis chamadas ligações de hidrogênio, criando uma estrutura única que era distinta do sal e do glicol separados.

Com o líquido preparado, a equipe partiu para o moinho de cimento. Eles pegaram cimento Portland comum e o moeram em um moinho de bolas, uma máquina que esmaga rochas usando pesadas bolas de aço, adicionando diferentes quantidades do líquido ethaline para ver como isso afetava o processo. Sem nenhum aditivo, as partículas de cimento tendem a grudar umas nas outras em aglomerados, tornando-as mais difíceis de serem quebradas. No entanto, quando os pesquisadores adicionaram o ethaline, as partículas permaneceram separadas. O líquido atuou como um escudo, impedindo que os minúsculos grãos de cimento grudassem novamente uns nos outros. Isso permitiu que a máquina de moagem trabalhasse de forma mais eficiente. Na dosagem mais alta testada, que era de dois por cento do peso do cimento, o pó resultante alcançou a maior finura Blaine registrada no estudo, embora a máquina tenha utilizado exatamente a mesma quantidade de energia. Um pó mais fino significa que uma maior área de superfície é exposta à água, o que é o primeiro passo para criar um produto final mais forte.

Uma vez que o cimento foi moído, os pesquisadores o misturaram com água e areia para criar argamassa, testando como o líquido afetava o comportamento do material desde o momento em que era despejado até o endurecimento. Eles descobriram que o ethaline fez a argamassa úmida fluir mais facilmente, espalhando-se mais longe em uma mesa de teste sem a necessidade de água extra. Esse fluxo aprimorado é vital para a construção, pois permite que os trabalhadores coloquem o material em espaços apertados e o moldem em formas complexas sem que ele se torne rígido rápido demais. O líquido também retardou o processo de cura o suficiente para ser útil. O tempo que o cimento levou para começar a endurecer aumentou de cerca de 170 minutos para quase 200 minutos nas doses mais altas. Esse atraso deu aos trabalhadores uma janela de tempo maior para misturar, transportar e finalizar o concreto antes que ele se tornasse muito rígido para ser trabalhado.

Talvez o mais importante seja que a adição de ethaline alterou a forma como o cimento reage quimicamente. Quando o cimento endurece, ele libera calor. Se esse calor for liberado rápido demais, pode causar rachaduras internas no concreto. Os pesquisadores mediram o calor gerado ao longo do tempo e descobriram que o ethaline reduziu a quantidade total de calor liberado em até onze por cento. Essa liberação de energia mais lenta e controlada sugere que a reação química estava ocorrendo de uma forma mais ordenada. Quando observaram o cimento endurecido sob um microscópio potente, a diferença era visível. As amostras de controle, feitas sem o aditivo, mostravam uma estrutura um tanto frouxa, com lacunas e pequenas rachaduras. Em contraste, as amostras tratadas com a quantidade adequada de ethaline pareciam muito mais densas e compactas, com as partículas fortemente agrupadas e menos vazios. Essa estrutura mais apertada é a razão física pela qual o material se torna mais forte.

Os testes de resistência confirmaram que essa estrutura mais densa se traduziu em desempenho no mundo real. Os pesquisadores testaram cubos de argamassa endurecida em várias idades, de três dias a dois meses. Na dose ideal de um e meio por cento de ethaline, o cimento atingiu uma resistência à compressão de 62 megapascais após 28 dias, uma melhoria significativa sobre os 56 megapascais alcançados pelo controle não tratado. O material também se tornou mais resistente a forças de tração, que é uma medida fundamental de durabilidade. No entanto, o estudo revelou um equilíbrio crítico: adicionar líquido demais, especificamente dois por cento, na verdade reduziu a resistência. Embora essa dose mais alta tenha produzido a maior finura Blaine, ela retardou tanto a reação química que o material não endureceu de forma tão eficaz. Essa descoberta destaca que o objetivo não é simplesmente tornar o pó o mais fino possível, mas sim encontrar a quantidade precisa de aditivo que equilibre a eficiência da moagem com as necessidades químicas do cimento.

O trabalho de Rajpurohit e seus colegas demonstra que um líquido verde e simples pode servir como uma ferramenta poderosa para melhorar um dos materiais de construção mais importantes do mundo. Ao reduzir a energia necessária para moer o cimento, melhorar seu fluxo, retardar seu tempo de cura para evitar rachaduras e, finalmente, tornar a estrutura final mais forte, o ethaline oferece uma solução multifuncional. A pesquisa sugere que esta abordagem não requer maquinário complexo ou produtos químicos exóticos, mas sim uma compreensão cuidadosa de como essas moléculas interagem com o cimento. Embora o estudo tenha focado em um tipo específico de cimento e um aditivo específico, os resultados abrem as portas para uma nova forma de pensar sobre aditivos de cimento, afastando-se de produtos químicos agressivos em direção a líquidos sustentáveis e ajustáveis que podem ser personalizados para um melhor desempenho. Os achados indicam que, com a quantidade certa deste solvente verde, o concreto do futuro poderá ser feito de forma mais eficiente, durar mais tempo e ser mais resistente.