As cinzas de carvão são o subproduto menos conhecido das usinas movidas a carvão. São os resíduos sólidos residuais que vêm da queima do carvão. Embora não tenha a mesma reputação deletéria de suas contrapartes aerotransportadas, dezenas de milhões de toneladas de cinzas vão para aterros sanitários a cada ano. Agora, pesquisadores da Drexel University acreditam ter encontrado um uso para o resíduo em pó - um que pode ajudar a tornar o concreto mais durável e livre de rachaduras.

Recentemente publicado na revista Cement and Concrete Composites, a descoberta deles é um método para transformar as cinzas em um aditivo de concreto especial que ajuda a fortalecer sua estrutura interna, promovendo um processo de endurecimento uniforme de dentro para fora. Este aditivo - um de alto desempenho, agregado funcional - poderia encurtar o tempo que leva para o concreto endurecer e melhorar sua durabilidade, reduzindo o potencial de formação de fissuras, de acordo com os pesquisadores.

A combinação certa

O concreto é feito de uma mistura de pó fino e partículas de rocha grossa, chamados agregados, ligada por uma cola mineral chamada de "matriz de cimentação, "feito de cimento e água. Os agregados formam a forte estrutura interna do concreto à medida que a matriz de cimentação endurece para unir os ingredientes em um processo denominado cura. Para que o concreto alcance sua durabilidade máxima, o cimento deve se misturar completamente com água durante o processo de cura para que tudo seque - e cure - ao mesmo tempo.

“Esta é uma parte muito importante do processo porque se o concreto secar muito rapidamente durante a cura, devido à falta de água adicional, pode formar rachaduras e outras falhas. Essas rachaduras de retração de secagem fazem com que a superfície seja suscetível à entrada de fluido agressivo, criando problemas de durabilidade do concreto, como corrosão, dano de sal, ou danos por congelamento e descongelamento, "disse Yaghoob Farnam, Ph.D., professor assistente na Faculdade de Engenharia de Drexel e investigador principal da pesquisa.

Para garantir uma cura uniforme, há uma série de coisas que os empreiteiros de concreto podem ter que fazer, incluindo pulverizar constantemente o concreto, cobrindo-o com uma membrana para mantê-lo úmido, submergindo-o em água ou criando poças de água em sua superfície. Todas essas estratégias consomem tempo e recursos e são complexas o suficiente para que falhas possam surgir no processo. Para ajudar a prevenir isso, na última década, os pesquisadores desenvolveram um conceito de cura interna que usa agregado leve e poroso para auxiliar no processo de cura. O agregado pode manter um nível consistente de umidade dentro do concreto para ajudá-lo a curar uniformemente de dentro para fora.

"O uso de um agregado leve de alto desempenho no concreto pode ser uma solução para fornecer reservatórios de água suficientes dentro do concreto, já que a água é necessária ao longo do tempo para curar a matriz cimentícia, "Farnam disse.

Trabalhar com concreto é difícil

O concreto é um dos materiais de construção mais usados ​​no mundo. É o material de escolha para a maioria das novas estradas de alto volume, edifícios, pontes e muitas outras estruturas devido à sua durabilidade e relativa facilidade de aplicação.

Mas uma desvantagem de usar concreto é que ele requer apenas as condições atmosféricas certas para permitir a mistura adequada e até a cura - não muito quente, Não muito frio, não muito seco.

Obter a quantidade exata de umidade dentro do concreto é difícil porque o pó e os agregados formam uma matriz de cimentação que é difícil de penetrar depois de começar a secar. Se a parte externa do concreto secar antes da cura interna, a estrutura pode ficar mais fraca. Como resultado, os empreiteiros têm basicamente uma chance para obter a proporção de líquido para sólido apenas certa, rápida e completamente misture e despeje o concreto antes que comece a secar.

"Este é um problema comum em concreto, a chamada 'secagem de concreto, 'cria fissuras de secagem e reduz a resistência e durabilidade do concreto, "disse Mohammad Balapour, pesquisador doutorado no laboratório de Farnam e autor principal do artigo.

Encontrando uma cura

Para dar aos empreiteiros mais margem de manobra no processo, A equipe de Farnam, em colaboração com membros do corpo docente do Civil Drexel, Arquitetônico, e Departamento de Engenharia Ambiental, Grace Hsuan, Ph.D., e Sabrina Spatari, Ph.D., bem como E.J. Garboczi, Ph.D., do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, examinou como agregados leves funcionais podem ser desenvolvidos a partir de cinzas de carvão e usados ​​em concreto.

A indústria de concreto tem acesso limitado a agregados leves naturais ou sintéticos, de acordo com Farnam, devido à sua dependência de fontes limitadas de material agregado. O laboratório de Farnam queria projetar um produto agregado que tivesse características ideais para mistura, força e porosidade - e encontre uma maneira de fazer isso a partir de um abundante material residual.

"A solução que encontramos envolveu a reciclagem deste produto residual, cinza de carvão, em um poroso, agregado leve com excelentes características de desempenho que podem ser produzidos a um custo menor do que as opções naturais e sintéticas atuais, "Farnam disse." Este material e processo não só beneficiaria a indústria de concreto, melhorando a qualidade de seus produtos, mas também pode ajudar a manter as cinzas de carvão longe dos aterros. "

O material que eles criaram é chamado de "agregado reativo poroso esférico" —SPoRA, como diminutivo. É feito combinando as cinzas com produtos químicos que facilitam a sinterização e colagem de agregados, formando-os em pequenas esferas e depois assando-os em 1, 160 graus Celsius por alguns minutos.

O produto final é um pellet agregado que pode conter quase metade de seu peso em água, o que é melhor do que os agregados leves tradicionais. E, tão importante, ele pode liberar essa água em uma taxa regular de dentro para a matriz de cimentação à medida que cura.

No artigo, eles relatam que dois tipos de SPoRA têm melhor desempenho do que alguns materiais agregados leves tradicionais - xisto, argila e ardósia, e vidro espumado - em medidas de forma, porosidade, peso relativo e capacidade de absorver e liberar água. Essas são todas as principais métricas relacionadas à sua capacidade de se integrar à mistura de cimento e liberar sua umidade no momento certo e na parte certa da estrutura à medida que se forma.

"À medida que o concreto começa a curar do lado de fora, os pellets agregados também estão liberando sua umidade para ajudá-los a curar de dentro para fora também, "Balapour disse." Esta abordagem pode ajudar a maximizar a durabilidade do concreto. E o processo de fabricação de SPoRA é simples o suficiente para produzir agregados de qualquer tamanho e capacidade de água, portanto, acreditamos que ele poderia ser usado para várias aplicações na indústria de construção. "

Reciclar um produto residual como cinza de carvão não apenas reduz o custo de fazer agregados leves, mas também garante que os produtores de concreto terão acesso a ela.

"Pegar algo que é um produto residual - com montanhas dele em aterros sanitários - e transformá-lo em um produto útil é um excelente exemplo de como a ciência pode ajudar a encontrar soluções sustentáveis ​​para os desafios da sociedade, "Farnam disse." Isso não apenas ajuda a proteger nosso ambiente natural, mas também ajudará a melhorar nosso ambiente construído. "