Há muita coisa que a pessoa média não sabe sobre concreto. Por exemplo, é poroso; é o material mais usado no mundo depois da água; e, talvez mais fundamentalmente, não é cimento.

Embora muitos usem "cimento" e "concreto" alternadamente, na verdade, eles se referem a dois materiais diferentes - mas relacionados:o concreto é um composto feito de vários materiais, um dos quais é o cimento.

A produção de cimento começa com calcário, uma rocha sedimentar. Uma vez extraído, é misturado com uma fonte de sílica, como escória de subprodutos industriais ou cinzas volantes, e é queimado em um forno a 2, 700 graus Fahrenheit. O que sai do forno é chamado de clínquer. As fábricas de cimento moem o clínquer até um pó extremamente fino e misturam alguns aditivos. O resultado final é cimento.

"O cimento é levado para locais onde é misturado com água, onde se torna pasta de cimento, "explica o professor Franz-Josef Ulm, diretor do corpo docente do MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Se você adicionar areia a essa pasta, ela se tornará argamassa. E se você adicionar à argamassa grandes agregados - pedras com um diâmetro de até uma polegada - ela se torna concreto."

O que torna o concreto tão forte é a reação química que ocorre quando o cimento e a água se misturam - um processo conhecido como hidratação.

"A hidratação ocorre quando o cimento e a água reagem, "diz Ulm." Durante a hidratação, o clínquer se dissolve no cálcio e se recombina com água e sílica para formar hidratos de sílica de cálcio. "

Hidratos de sílica de cálcio, ou CSH, são a chave para a solidez do cimento. À medida que se formam, eles combinam, desenvolver ligações estreitas que conferem resistência ao material. Essas conexões têm um subproduto surpreendente - elas tornam o cimento incrivelmente poroso.

Dentro dos espaços entre os laços da CSH, minúsculos poros se desenvolvem - na escala de 3 nanômetros, ou cerca de 8 milionésimos de polegada. São conhecidos como poros de gel. Além do mais, qualquer água que não reagiu para formar CSH durante o processo de hidratação permanece no cimento, criando outro conjunto de poros maiores, chamados de poros capilares.

De acordo com pesquisa realizada pelo CSHub, o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, e a Aix-Marseille University, a pasta de cimento é tão porosa que 96% de seus poros estão conectados.

Apesar dessa porosidade, o cimento possui excelentes propriedades de resistência e ligação. Claro, diminuindo essa porosidade, pode-se criar um produto final mais denso e ainda mais forte.

Começando na década de 1980, os engenheiros projetaram um material - concreto de alto desempenho (HPC) - que fez exatamente isso.

"Concreto de alto desempenho desenvolvido na década de 1980, quando as pessoas perceberam que os poros capilares podem ser reduzidos em parte pela redução da proporção água-cimento, "diz Ulm." Com a adição de certos ingredientes também, isso criou mais CSH e reduziu a água que permaneceu após a hidratação. Essencialmente, reduziu os poros maiores cheios de água e aumentou a resistência do material. "

Claro, observa Ulm, reduzir a proporção de água para cimento para HPC também requer mais cimento. E dependendo de como esse cimento é produzido, isso pode aumentar o impacto ambiental do material. Isso ocorre em parte porque quando o carbonato de cálcio é queimado em um forno para produzir cimento convencional, ocorre uma reação química que produz dióxido de carbono (CO ₂ )

Outra fonte de CO do cimento ₂ as emissões vêm do aquecimento de fornos de cimento. Este aquecimento deve ser feito com combustíveis fósseis devido às temperaturas extremamente altas exigidas no forno (2, 700 F). A eletrificação de fornos está sendo estudada, mas atualmente não é técnica ou economicamente viável.

Como o concreto é o material mais popular no mundo e o cimento é o principal aglutinante usado no concreto, essas duas fontes de CO ₂ são a principal razão pela qual o cimento contribui com cerca de 8% das emissões globais.

Jeremy Gregory, diretor executivo do CSHub, Contudo, vê a escala do concreto como uma oportunidade para mitigar as mudanças climáticas.

"O concreto é o material de construção mais usado no mundo. E como usamos muito dele, qualquer redução que fizermos em sua pegada terá um grande impacto nas emissões globais. "

Muitas das tecnologias necessárias para reduzir a pegada do concreto existem hoje, ele observa.

“Quando se trata de reduzir as emissões de cimento, podemos aumentar a eficiência dos fornos de cimento, aumentando nosso uso de materiais residuais como fontes de energia, em vez de combustíveis fósseis, "explica Gregory.

“Também podemos usar cimentos misturados com menos clínquer, como o cimento de calcário Portland, que mistura calcário não aquecido na etapa final de moagem da produção de cimento. A última coisa que podemos fazer é capturar e armazenar ou utilizar o carbono emitido durante a produção de cimento. "

Captura de carbono, utilização, e o armazenamento tem potencial significativo para reduzir o impacto ambiental do cimento e do concreto ao mesmo tempo em que cria grandes oportunidades de mercado. De acordo com o Center for Climate and Energy Solutions, a utilização de carbono em concreto terá um mercado global de US $ 400 bilhões até 2030. Várias empresas, como Solidia Cement e Carbon Cure, estão ficando à frente da curva ao projetar cimento e concreto que utilizam e, consequentemente, sequestram CO ₂ durante o processo de produção.

"O que está claro, no entanto, "diz Gregory, "é que as misturas de concreto com baixo teor de carbono terão que usar muitas dessas estratégias. Isso significa que precisamos repensar como projetamos nossas misturas de concreto."

Atualmente, as especificações exatas das misturas de concreto são prescritas com antecedência. Embora isso reduza o risco para desenvolvedores, também impede misturas inovadoras que reduzem as emissões.

Como solução, Gregory defende a especificação do desempenho de uma mistura em vez de seus ingredientes.

"Muitos requisitos prescritivos limitam a capacidade de melhorar o impacto ambiental do concreto - como limites na proporção água-cimento e o uso de resíduos na mistura, "ele explica." Mudar para especificações baseadas no desempenho é uma técnica chave para encorajar mais inovação e cumprir as metas de custo e impacto ambiental. "

De acordo com Gregory, isso requer uma mudança de cultura. Para fazer a transição para especificações baseadas em desempenho, inúmeras partes interessadas, como arquitetos, engenheiros, e especificadores, terá que colaborar para projetar a combinação ideal para seu projeto, em vez de depender de uma combinação predefinida.

Para encorajar outros condutores de concreto de baixo carbono, diz Gregory, "nós [também] precisamos abordar as barreiras de risco e custo. Podemos mitigar o risco pedindo aos produtores que relatem as pegadas ambientais de seus produtos e permitindo especificações baseadas no desempenho. Para lidar com os custos, precisamos apoiar o desenvolvimento e implantação de tecnologias de captura de carbono e de baixo carbono. "

Embora as inovações possam reduzir as emissões iniciais do concreto, o concreto também pode reduzir as emissões de outras maneiras.

Uma maneira é por meio de seu uso. A aplicação de concreto em edifícios e infraestrutura pode permitir a redução das emissões de gases de efeito estufa ao longo do tempo. Edifícios de concreto, por exemplo, pode ter alta eficiência energética, enquanto a superfície e as propriedades estruturais dos pavimentos de concreto permitem que os carros consumam menos combustível.

O concreto também pode reduzir parte de seu impacto inicial por meio da exposição ao ar.

"Algo único sobre o concreto é que ele realmente absorve carbono ao longo de sua vida durante um processo químico natural chamado carbonatação, "diz Gregory.

A carbonatação ocorre gradualmente no concreto como CO ₂ no ar reage com o cimento para formar água e carbonato de cálcio. Um artigo de 2016 na Nature Geoscience descobriu que, desde 1930, a carbonatação em concreto compensou 43 por cento das emissões da transformação química de carbonato de cálcio em clínquer durante a produção de cimento.

Carbonatação, no entanto, tem uma desvantagem. Isso pode levar à corrosão do vergalhão de aço, geralmente fixado no concreto. Daqui para frente, os engenheiros podem buscar maximizar a absorção de carbono do processo de carbonatação e, ao mesmo tempo, minimizar os problemas de durabilidade que isso pode representar.

Carbonatação, bem como tecnologias como captura de carbono, utilização, e armazenamento e combinações melhoradas, todos contribuirão para o concreto com baixo teor de carbono. Mas tornar isso possível exigirá a cooperação da academia, indústria, e o governo, diz Gregory.

Ele vê isso como uma oportunidade.

"A mudança não precisa acontecer apenas com base na tecnologia, "Ele observa." Isso também pode acontecer pela maneira como trabalhamos juntos em direção a objetivos comuns. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.