Nanotecnologia na Construção Civil: Fortalecimento de concreto sustentável e redução nas emissões de carbono

A construção civil é responsável por uma parcela significativa das emissões globais de dióxido de carbono (CO₂), principalmente devido à produção do cimento Portland, material amplamente utilizado em obras de infraestrutura e associado ao alto consumo de energia térmica e emissão de gases do efeito estufa. Embora diversas pesquisas tenham buscado alternativas mais sustentáveis para o setor, ainda há uma demanda crescente por soluções capazes de reduzir os impactos ambientais sem comprometer o desempenho mecânico dos materiais empregados.

Nesse contexto, pesquisadores da Universidade da África do Sul, do Bio and Emerging Technology Institute da Etiópia e da KIIT University, na Índia, investigaram a incorporação de nanopartículas e micropartículas de sílica na produção de concreto geopolimérico, capaz de aliar maior resistência mecânica a uma redução significativa do consumo energético e das emissões de carbono normalmente associadas à produção do cimento tradicional. 

O cimento Portland comum (OPC), apesar de ser amplamente empregado na construção civil devido à sua elevada resistência à compressão, depende de um processo de fabricação extremamente intensivo em energia térmica, sendo responsável pela emissão de aproximadamente 0,73 a 0,85 tonelada de CO₂ para cada tonelada produzida. Como consequência, o setor da construção civil responde por cerca de 8% das emissões globais de dióxido de carbono. 

Como alternativa, o concreto geopolimérico (GPC) substitui integralmente o cimento pelas cinzas volantes, um subproduto proveniente da queima de carvão em usinas de geração elétrica, rico em sílica e alumina, ativado por uma solução alcalina composta por hidróxido de sódio e silicato de sódio. Embora centenas de milhões de toneladas de cinzas volantes sejam geradas anualmente, apenas 17% a 20% desse volume é atualmente reaproveitado, sendo o restante descartado em aterros, ocupando áreas extensas de terra e representando riscos à saúde da população local devido à natureza leve e volátil dessas partículas.

Embora mais sustentável, o GPC nem sempre apresenta desempenho mecânico equivalente ao concreto convencional. Por isso, os pesquisadores avaliaram a substituição parcial das cinzas volantes por micro e nanossílica. 

A nanossílica utilizada apresentava partículas com tamanho médio de 12 nm e elevada área superficial específica (área total/massa ou volume), enquanto a microssílica continha aproximadamente 85% de dióxido de silício (SiO₂). Graças ao tamanho reduzido das partículas, ambos os materiais atuam como sítios de nucleação durante o processo de geopolimerização, além de preencherem os poros da matriz de cimento, resultando em um concreto mais denso e compacto. A nanossílica, em especial, possui atividade pozolânica (capacidade de interação com hidróxido de cálcio (cal) livre) superior à da microssílica, justamente por sua maior área superficial. 

Para identificação de condições ideais de processamento do concreto geopolimérico, foram avaliados diferentes parâmetros como: proporção entre silicato de sódio e hidróxidos de sódio, a concentração molar da solução de hidróxido de sódio e as condições para o processo de cura (endurecimento) do cimento geopolimérico, testando temperaturas entre 60°C e 90°C por períodos de 24h e 48h. A partir disso, ensaios de resistência à compressão e à flexão foram realizados aos 7 e aos 28 dias de cura, comparando o OPC, o GPC e diferentes formulações contendo microssílica isolada e a combinação com nanossílica. 

Os resultados indicaram  que o processo de cura a 80°C por 48h proporcionou a maior resistência à compressão entre todas as condições testadas, assim como a concentração de 14M de hidróxido de sódio superou consistentemente a de 12M, como apresentado na Figura 1.

Em relação à substituição parcial das cinzas volantes, a resistência à compressão aumentou progressivamente até o teor de 7,5% de microssílica, decrescendo a partir desse ponto. Já a combinação de 7,5% de microssílica com 2% de nanossílica produziu a maior resistência à compressão entre todas as misturas estudadas, superando tanto o GPC puro quanto o OPC. 

Teores de nanossílica acima de 2%, no entanto, reduziram a resistência devido à aglomeração das partículas e à formação de microporos na matriz. A resistência à flexão seguiu uma tendência semelhante, atribuída à capacidade da nanossílica de preencher vazios na matriz e de promover maior adesão interfacial, dificultando a propagação de microfissuras que permitiram certa flexibilidade ao material.

Do ponto de vista ambiental, o GPC emite de 5 a 6 vezes menos CO₂ que o OPC, podendo reduzir as emissões em até 80% por meio da substituição do cimento por subprodutos industriais como as cinzas volantes. 

Apesar dos resultados mecânicos e ambientais promissores, o estudo ressalta que o processo de cura em estufa, necessário para a ativação do concreto geopolimérico, é intensivo em energia, o que eleva o custo de produção e restringe sua aplicação principalmente em elementos pré-moldados. 

Levantamentos de custos realizados por outros pesquisadores mostraram que a produção de 1m³ de concreto geopolimérico modificado com micro e nanossílica chega a custar cerca de 6 vezes mais o valor do OPC. Entretanto, essa entrave econômica não é exclusiva do material estudado. Por se tratar de um produto amplamente consolidado e voltado à máxima produtividade, o cimento Portland conta com uma cadeia produtiva bastante desenvolvida, capaz de manter seus custos relativamente baixos, mesmo diante do elevado consumo energético e das expressivas emissões de poluentes envolvidas em sua fabricação. Já o GPC, em constante desenvolvimento desde seus primeiros estudos na década de 1940, ainda encontra resistência por parte da indústria da construção civil, sobretudo em razão do seu maior custo e de sua maior complexidade produtiva, gerados pelos precursores aluminossilicatos e pelo silicato de sódio. 

Tais insumos, no entanto, podem ser substituídos por resíduos industriais ou por outros materiais regionalmente mais viáveis, o que tende a reduzir o custo mínimo de produção do geopolímero. Soma-se a isso, a perspectiva de que regimes comerciais futuros sejam mais rigorosos com atividades poluentes, o que tenderia a encarecer o cimento Portland frente ao seu impacto ambiental e favorecer a competitividade do concreto geopolimérico no mercado. 

Portanto, apesar dos desafios relacionados ao custo e à necessidade de métodos de cura mais eficientes do ponto de vista energético, o estudo fornece dados promissores quanto ao desenvolvimento de materiais de construção mais sustentáveis, reforçando a expectativa de que avanços tecnológicos e novos estudos consolidem o GPC como uma alternativa viável e vantajosa em relação ao OPC, tanto do ponto de vista da eficiência energética e propriedades mecânicas, quanto dos impactos ambientais. 

Para saber mais, acesse o artigo na íntegra: Sustainable nanotechnology in construction: mechanical and environmental performance of nano–micro silica geopolymer concrete