Mechanical Performance and High-Energy Photon Attenuation of a Slag-Based Geopolymer Concrete Incorporating Calcined Brezina Dam Sediments

Os materiais de construção acarretam um pesado custo ambiental, não apenas na energia necessária para fabricá-los, mas também no resíduo que geram. Para enfrentar isso, os cientistas voltaram-se para o concreto geopolímero, um tipo de material de construção que substitui o ligante de cimento tradicional por subprodutos industriais e minerais locais. Em vez de assar o calcário para criar cimento, o que libera vastas quantidades de dióxido de carbono, as misturas de geopolímero utilizam materiais como a escória granulada de alto-forno — um resíduo da produção de aço — e os ativam com uma solução química para ligar tudo. Esta abordagem oferece uma maneira de construir estruturas fortes enquanto se reutiliza resíduos. Além de apenas sustentar edifícios, há uma necessidade crescente de materiais que possam bloquear com segurança a radiação de alta energia em instalações médicas e técnicas. Encontrar um material que seja ao mesmo tempo forte e eficaz na interrupção da radiação, sendo também feito de resíduos locais, é um objetivo significativo para a engenharia sustentável.

Pesquisadores na Argélia partiram para testar se um resíduo local específico poderia servir a este duplo propósito. Eles focaram em sedimentos que se depositaram no fundo da Barragem de Brezina. Ao longo do tempo, as barragens acumulam camadas de silte e areia, o que pode se tornar um problema de gestão. A equipe coletou esse sedimento, secou-o, moeu-o até obter um pó fino e aqueceu-o a uma temperatura elevada para alterar suas propriedades químicas. Eles então misturaram esse sedimento calcinado com escória granulada de alto-forno, pó de sílica, areia e cascalho, utilizando uma mistura líquida de silicato de sódio e hidróxido de sódio para desencadear o processo de endurecimento. O objetivo era ver quanto desse sedimento da barragem poderia substituir outros ingredientes sem tornar o concreto fraco, e se o material resultante poderia bloquear efetivamente fótons de alta energia, as partículas que compõem os feixes de radiação usados no tratamento do câncer.

A equipe criou quatro versões diferentes da mistura de concreto. Uma versão continha nenhum sedimento da barragem, servindo como uma linha de base. As outras três versões substituíram quantidades variadas de pó de sílica pelo sedimento calcinado, utilizando especificamente 10%, 20% ou 30% de sedimento na parte do ligante. Para garantir que o material endurecesse corretamente, os pesquisadores colocaram o concreto fresco em um forno e o aqueceram a diferentes temperaturas e por diferentes períodos de tempo. Eles testaram a resistência dos blocos endurecidos espremendo-os até que quebrassem e medindo quanta força eles poderiam suportar. Eles também observaram quão denso era o material, pois a densidade frequentemente desempenha um papel na capacidade de bloqueio de radiação.

Os resultados mostraram que a quantidade de sedimento e o cronograma de aquecimento importavam muito. As misturas contendo 10% e 20% de sedimento geralmente tiveram um desempenho melhor do que aquelas com nenhum sedimento ou com a maior quantidade de 30%. O melhor desempenho veio da mistura com 10% de sedimento, que foi aquecida a 80 graus Celsius por 10 horas. Esta amostra específica atingiu uma resistência à compressão de 58,41 megapascais, uma medida de quanta pressão ela poderia suportar antes de falhar. A mistura com 20% de sedimento também teve um bom desempenho, atingindo 55,50 megapascais sob as mesmas condições. Em contraste, a mistura com 30% de sedimento foi a mais fraca e menos densa, sugerindo que adicionar demais o material da barragem interrompeu a estrutura do concreto. Os pesquisadores descobriram que tempos de aquecimento mais longos geralmente levavam a um concreto mais forte, mas apenas até certo ponto, e que a temperatura específica precisava ser cuidadosamente controlada.

Para entender quão bem este novo concreto poderia deter a radiação, os pesquisadores não utilizaram uma fonte de radiação real, o que seria perigoso e difícil de medir com precisão em um laboratório. Em vez disso, utilizaram uma simulação computacional poderosa para modelar como um feixe de fótons de alta energia viajaria através do material. Eles simularam um feixe semelhante aos usados em aceleradores lineares médicos modernos. O computador calculou quão profundamente a radiação penetraria antes que sua intensidade caísse pela metade, uma medição conhecida como camada de meio valor, e quão profundamente ela iria antes de cair para um décimo, o que é o valor de um décimo. Para a mistura de geopolímero com 10% de sedimento, a simulação mostrou uma camada de meio valor de 9,94 centímetros e uma camada de um décimo de 27,19 centímetros.

Esses números simulados foram muito próximos aos do concreto padrão, que mostrou uma camada de meio valor de 10,11 centímetros. Isso sugere que o novo concreto de geopolímero, feito com sedimento de barragem local, bloquearia a radiação quase tão efetivamente quanto o concreto convencional atualmente usado em hospitais e instalações técnicas. No entanto, a simulação também mostrou que um concreto especializado contendo bário, um elemento pesado frequentemente adicionado a materiais de blindagem, teve um desempenho superior, com uma distância muito menor necessária para reduzir a radiação. O estudo deixa claro que, embora a mistura de geopolímero seja promissora, os resultados de radiação baseiam-se inteiramente em modelos computacionais. Os pesquisadores enfatizam que estas descobertas são preliminares e que experimentos do mundo real são necessários para confirmar se o material funciona tão bem na prática quanto funciona na simulação.

O trabalho destaca um caminho potencial para a construção sustentável na Argélia e além. Ao transformar um desafio ambiental local — o acúmulo de sedimento em barragens — em um componente de construção útil, os pesquisadores demonstraram que o resíduo pode ser transformado em um material de alto desempenho. O concreto provou ser forte o suficiente para uso estrutural e mostrou capacidades simuladas de bloqueio de radiação comparáveis aos materiais de construção padrão. No entanto, o caminho do laboratório para o canteiro de obras requer etapas adicionais. A equipe observou que os dados de radiação precisam de validação experimental e que informações mais detalhadas sobre a durabilidade a longo prazo e o impacto ambiental do material são necessárias. Por enquanto, o estudo permanece como uma prova de conceito sólida, mostrando que uma mistura de escória industrial e sedimento de barragem calcinado pode criar um concreto que é tanto mecanicamente sólido quanto potencialmente capaz de blindar contra radiação de alta energia.