Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

No mundo da construção, os materiais que usamos para construir nossas casas e cidades são frequentemente pesados, permanentes e difíceis de mudar. Durante décadas, o padrão tem sido o concreto, uma mistura de cimento, areia e água que endurece em um estado sólido semelhante a uma rocha. Embora seja incrivelmente forte, a fabricação do cimento que une essa mistura cria uma quantidade significativa de dióxido de carbono, contribuindo para as mudanças climáticas. Ao mesmo tempo, a indústria de mineração produz quantidades massivas de restos de rocha e lama que são frequentemente acumulados em grandes áreas de armazenamento, ocupando espaço e apresentando riscos ambientais. Um campo crescente da ciência busca resolver ambos os problemas de uma só vez, encontrando maneiras de transformar esses resíduos industriais em blocos de construção úteis. Essa abordagem, frequentemente chamada de economia circular, visa impedir que o desperdício seja desperdiçado e reduzir a necessidade de novas matérias-primas que consomem muita energia. Outra inovação moderna neste campo é a impressão de concreto 3D, uma tecnologia que utiliza grandes braços robóticos para espremer camadas de concreto úmido, construindo estruturas camada por camada sem a necessidade de moldes de madeira tradicionais. Para que esta tecnologia funcione bem, o concreto deve ser fluido o suficiente para fluir através de uma máquina, mas rígido o suficiente para manter sua forma no momento em que é depositado.

Pesquisadores em Marrocos exploraram recentemente se as vastas quantidades de resíduos produzidas pela indústria de mineração de fosfato do país poderiam ser usadas nestes novos tipos de misturas de construção. Marrocos é um líder global na produção de fosfato, um mineral essencial para fertilizantes, mas o processo de extração e limpeza desta rocha gera enormes quantidades de subprodutos, incluindo rocha residual, um material chamado fosfogesso e lama úmida. Em vez de deixar estes materiais parados em pilhas, uma equipe de cientistas da Universidade Politécnica Mohammed VI decidiu testar se eles poderiam ser moídos e misturados com cimento para criar um material adequado para a impressão 3D. Eles coletaram amostras destes três tipos de resíduos de uma planta de processamento e submeteram-nas a uma série de testes cuidadosos para compreender a sua composição química, a sua segurança e como se comportavam quando misturadas com água e areia.

O primeiro passo foi garantir que os materiais fossem seguros para manuseio e uso. Os pesquisadores mediram o teor de umidade e a acidez do resíduo, constatando que os materiais eram geralmente neutros e não continham níveis perigosos de metais pesados. Eles também verificaram a radioatividade, uma preocupação porque os minérios de fosfato podem por vezes conter quantidades vestigiais de elementos radioativos naturalmente presentes. Os testes mostraram que os níveis de radioatividade eram muito baixos e estavam bem dentro dos limites seguros para a construção. A equipe analisou então a composição química do resíduo utilizando equipamentos avançados que identificam os elementos presentes numa amostra. Eles descobriram que o resíduo era rico em cálcio e enxofre, com quantidades menores de outros minerais, confirmando que possuía os ingredientes certos para potencialmente reagir com o cimento e formar uma ligação forte.

Com a segurança e a composição confirmadas, os pesquisadores passaram à criação de misturas de construção reais. Eles prepararam dezenas de receitas diferentes, misturando o resíduo de fosfato moído com argila vermelha, areia triturada e três tipos diferentes de cimento. Variaram a quantidade de água e a proporção de resíduos em cada mistura para ver qual combinação produzia os melhores resultados. O objetivo era encontrar um equilíbrio onde a mistura fosse forte o suficiente para suportar peso, mas fluida o suficiente para ser bombeada através de uma impressora. Após a mistura, despejaram o material húmido em pequenos moldes e deixaram endurecer durante várias semanas, testando a força que adquiria ao longo do tempo.

Os resultados mostraram que os materiais de resíduos poderiam, de facto, ser incorporados com sucesso no concreto. As misturas endureceram em blocos sólidos que podiam suportar uma pressão significativa. A mistura mais forte, feita com o cimento de maior graduação e uma quantidade específica de resíduo de fosfato, atingiu uma resistência à compressão de quase 47 megapascais, uma medida de quanta força o material pode suportar antes de quebrar. Outras misturas utilizando diferentes tipos de cimento também tiveram um bom desempenho, com resistências variando entre cerca de 22 a 32 megapascais. Estes números sugerem que o material é forte o suficiente para muitos fins de construção. Os pesquisadores também testaram como a mistura húmida fluía, medindo a sua viscosidade e como mudava de forma sob tensão. Eles descobriram que as misturas exibiam propriedades mecânicas e reológicas que sugerem potencial para desenvolvimento futuro; no entanto, o artigo observa explicitamente que a adequação destas formulações para a impressão de concreto baseada em extrusão ainda precisa de ser validada experimentalmente.

Apesar destes resultados encorajadores, os pesquisadores foram cuidadosos ao não declarar o problema totalmente resolvido. Embora as misturas tenham mostrado grande potencial no laboratório, elas ainda não tinham sido testadas num impressor 3D real. O estudo confirmou que os materiais são seguros, fortes e possuem as propriedades físicas corretas no papel, mas a prova final virá ao ver se podem ser impressos com sucesso em formas complexas que se mantenham ao longo do tempo. A equipa observou que o trabalho futuro precisa de se focar em ensaios diretos de impressão para ver quão bem as camadas se aderem umas às outras, como o material se comporta quando construído numa estrutura real, e para avaliar a adesão entre camadas e a construtibilidade. Eles também enfatizaram a necessidade de estudos de longo prazo para garantir que os materiais permaneçam seguros e estáveis no ambiente.

Este trabalho representa um passo significativo em direção à transformação de um grande produto de resíduo industrial num recurso valioso. Ao demonstrar que o resíduo de fosfato marroquino pode ser transformado num material de construção forte, seguro e potencialmente imprimível, o estudo abre uma nova porta para a construção sustentável. Sugere que as pilhas de resíduos de rocha e lama que há muito representam um desafio ambiental poderão um dia tornar-se os tijolos e vigas das casas do futuro, reduzendo a necessidade de novas matérias-primas e ajudando a construir uma indústria de construção mais limpa e eficiente. O caminho da pilha de resíduos até uma casa impressa em 3D ainda está a ser traçado, mas esta investigação fornece um ponto de partida claro e promissor.