Design Optimization and Hydration Mechanism of a Composite Gypsum-Based Cementitious Material Made Entirely from Solid Waste Using Smelting Slag
Este estudo projeta e otimiza um material cimentício de baixo carbono, baseado em resíduos totais, utilizando gesso de dessulfurização, escória granulada, escória de cobre e um ativador composto, o qual alcança o desempenho de base de estrada semirrígida através da formação sinérgica de ettringita e gel de C-(A)-S-H, reduzindo as emissões de carbono em 89,1% em comparação ao cimento Portland comum.
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Todos os anos, o mundo gera montanhas de resíduos industriais. As fábricas produzem quantidades vastas de materiais residuais, como o resíduo pulverulento da limpeza da fumaça, os fragmentos vítreos de metal derretido e os subprodutos pesados do refino de cobre. Normalmente, esses materiais ficam em pilhas massivas, ocupando espaço e apresentando riscos ambientais. Ao mesmo tempo, a indústria da construção depende fortemente do cimento comum para construir estradas e fundações. Fabricar este cimento tradicional é um processo sujo; requer o aquecimento do calcário a temperaturas extremas, uma etapa que bombeia enormes quantidades de dióxido de carbono para a atmosfera. O desafio para os cientistas tem sido, há muito tempo, encontrar uma maneira de transformar esses restos industriais em algo útil para a construção sem criar um novo problema ambiental. O objetivo é criar um material aglutinante que mantenha rochas e areia unidas tão bem quanto o cimento tradicional, mas que utilize resíduos em vez de rocha bruta e evite o alto calor que causa poluição.
Uma equipe de pesquisadores na China deu um passo significativo para resolver este problema ao projetar um novo tipo de material de construção feito inteiramente de resíduos sólidos. Eles combinaram três tipos específicos de subprodutos industriais: gesso de dessulfurização, que vem da limpeza das emissões de usinas de energia; escória granulada, um resíduo vítreo da produção de aço; e escória de cobre, um resíduo pesado da fundição de cobre. Para fazer com que esses materiais reajam e endureçam, eles adicionaram uma mistura especial feita de escória de carbeto de cálcio e silicato de sódio. Os pesquisadores não apenas misturaram esses ingredientes aleatoriamente; eles utilizaram uma abordagem matemática sofisticada para testar centenas de combinações diferentes. O objetivo era encontrar a receita exata que criasse um material forte o suficiente para bases de estradas, mas estável o suficiente para não rachar ou expandir perigosamente.
A equipe descobriu que o equilíbrio perfeito envolvia o uso de cerca de 18 por cento de gesso, uma proporção específica dos dois tipos de escória e uma pequena quantidade da mistura ativadora. Quando testaram esta receita específica, o material resultante endureceu em um bloco sólido que podia suportar uma pressão significativa, atingindo uma resistência de quase 24 megapascais após 28 dias. Este nível de resistência é suficiente para bases de estradas semirrígidas, as camadas de material que ficam abaixo do asfalto em rodovias. Crucialmente, o material expandiu apenas ligeiramente, cerca de 0,4 por cento, o que é uma quantidade segura que ajuda a estrada a resistir ao rachamento por secagem, em vez de uma expansão perigosa que quebraria o pavimento.
Para entender como este material à base de resíduos realmente funciona, os pesquisadores observaram o seu interior enquanto ele endurecia. Eles descobriram que o seu comportamento é bastante diferente do cimento tradicional. O cimento comum endurece rapidamente no início e depois desacelera, muitas vezes deixando para trás cristais que podem criar pontos fracos ou estruturas irregulares. Em contraste, este novo material começa lentamente. As partículas de resíduos dissolvem-se gradualmente e, com o tempo, formam uma rede densa e intertravada de gel e cristais em forma de agulha. Este processo cria uma estrutura que se torna mais forte e complexa à medida que envelhece. Os pesquisadores observaram que o material desenvolve uma arquitetura interna única, onde os cristais crescem de uma forma que preenche as pequenas lacunas, tornando o material mais denso e durável ao longo do tempo, em vez de apenas endurecer e parar.
Talvez a descoberta mais impressionante do estudo seja o impacto ambiental. Como este material evita o processo de cozimento em alta temperatura exigido pelo cimento tradicional, a sua pegada de carbono é drasticamente menor. Os pesquisadores calcularam que a produção de uma tonelada deste novo material libera apenas 0,072 toneladas de dióxido de carbono. Em comparação, a produção de uma tonelada de cimento comum libera mais de 0,66 toneladas. Isso representa uma redução de quase 90 por cento. Mesmo considerando o fato de que o novo material é ligeiramente menos forte que os cimentos tradicionais mais fortes, ele ainda produz muito menos carbono para cada unidade de resistência que fornece. A energia usada para moer os materiais residuais em pó fino contabiliza a maior parte das emissões restantes, mas este é um preço pequeno a pagar comparado às enormes economias de evitar o forno.
Este trabalho demonstra que é possível transformar resíduos industriais em um material de construção de alto desempenho que é ao mesmo tempo forte e ambientalmente amigável. Ao ajustar cuidadosamente a mistura de diferentes produtos residuais, os pesquisadores criaram um sistema que não apenas recicla materiais que, de outra forma, seriam descartados, mas também oferece uma alternativa viável e de baixo carbono para construir a infraestrutura do futuro. O estudo confirma que, com a receita certa, o resíduo pode tornar-se um recurso, transformando os subprodutos da indústria pesada na base para um mundo mais limpo.
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