Supercimento gasta 60% menos material e captura 140% mais CO2

Supercimento

A interação de pesquisadores de várias áreas – arquitetos, cientistas de materiais e engenheiros – resultou em um novo tipo de cimento que reúne uma longa lista de vantagens em relação ao cimento e concreto tradicionais.

O novo cimento, que é feito a partir de biominerais, combinando impressão 3D com a arquitetura fóssil de algas microscópicas, é incrivelmente leve – porém estruturalmente sólido -, captura até 142% mais CO2 do que as misturas convencionais de cimento e ainda utiliza 68% menos material do que o concreto tradicional – e tudo isso ainda atendendo aos padrões de resistência à compressão.

O ingrediente principal é a terra diatomácea, um material de enchimento bem conhecido e largamente utilizado, feito de microrganismos fossilizados. Os pesquisadores descobriram que a textura fina, porosa e esponjosa da terra diatomácea não só melhora a estabilidade do cimento conforme ele é empurrado através do bico da impressora 3D, como também fornece locais abundantes para a captura de dióxido de carbono.

Isso abre caminho para materiais de construção que não apenas sustentem pontes e arranha-céus, mas também ajudem a restaurar ecossistemas marinhos e a capturar carbono do ar.

“Normalmente, se você aumenta a área de superfície ou a porosidade, perde resistência,” disse a professora Shu Yang, da Universidade da Pensilvânia. “Mas aqui aconteceu o oposto; a estrutura ficou mais forte com o tempo.”

Cimento de terra diatomácea

A equipe destaca o fato de que seu material não só alcançou uma conversão de dióxido de carbono 30% maior quando a geometria do material foi otimizada, como também chegou a isso mantendo uma resistência à compressão comparável à do concreto comum. “Foi um daqueles raros momentos em que tudo funcionou melhor e ficou mais bonito,” comemorou Yang.

“Mas não se tratava apenas de estética ou redução de massa,” acrescenta o professor Masoud Akbarzadeh. “Tratava-se de desbloquear uma nova lógica estrutural. Conseguimos reduzir o material em quase 60% e ainda suportar a carga, mostrando que é possível fazer muito mais com muito menos.”

O ingrediente principal foi essencial para esse sucesso. As diatomáceas, um tipo de alga microscópica antiga, constroem conchas de sílica intrincadas e porosas que, ao longo de milhões de anos, se acumularam, formando a chamada terra diatomácea, hoje usada em tudo, de filtros de piscina até aditivos de solo.

A equipe descobriu que a rede interna de poros da terra diatomácea não apenas fornece caminhos para a difusão do dióxido de carbono na estrutura, como também permite a formação de carbonato de cálcio durante a cura, melhorando assim a absorção de CO2 e a resistência mecânica.

A matemática ajudou

Se a terra diatomácea otimizou o material em si, a geometria desempenhou um papel igualmente transformador. Mas isso exigiu recorrer a superfícies mínimas triplamente periódicas (TPMS), estruturas matematicamente complexas, mas naturais, encontradas em ossos, recifes de corais e estrelas-do-mar. Essas formas “contínuas”, desprovidas de bordas afiadas ou quebras, têm a característica de maximizar a área de superfície e minimizar a massa.

“As formas são complexas, mas naturalmente eficientes, já que maximizam a área de superfície e a rigidez geométrica, minimizando o uso de material,” explicou Akbarzadeh. “Na natureza, forma e função são inseparáveis, então queríamos aplicar esse princípio aos arranjos desses materiais.”

Uma vez modeladas digitalmente, as formas foram fatiadas em camadas imprimíveis e otimizadas para uma extrusão suave, sem colapso, flacidez ou obstrução do bico da impressora.

Os componentes impressos resultantes foram testados sob carga e submetidos a ambientes carbonatados, resultando em estruturas que utilizaram 68% menos material do que os blocos de concreto tradicionais, aumentando sua relação superfície/volume em mais de 500%. Além disso, o cubo de TPMS manteve 90% da resistência à compressão da versão sólida e atingiu uma captação de CO2 32% maior por unidade de cimento.

“Nós estamos testando componentes maiores com esquemas de reforço mais complexos,” disse Akbarzadeh. “Queremos que eles não sejam apenas fortes e eficientes, mas também construíveis em escala arquitetônica.”