Melhorias de design
Há um interesse crescente na redução das emissões de dióxido de carbono relacionadas com o betão, tanto no meio académico como na indústria, especialmente com a possibilidade de uma futura introdução de um imposto sobre o carbono. Várias abordagens foram sugeridas para reduzir as emissões.
Uma razão pela qual a fabricação de cimento produz tantas emissões é porque a mistura precursora do cimento deve ser aquecida a temperaturas muito altas para que o clínquer se forme. Alite (CaSiO), mineral presente no concreto que cura – ou seja, atinge alto grau de dureza – tem grande responsabilidade nisso; veja reticulação "Reticulação (química)") e reação de hidratação, não estamos falando de cura de uma doença - em questão de horas depois de ser vazado (despejar o concreto em uma fôrma) e é, portanto, responsável por grande parte de sua resistência inicial. No entanto, a alite também deve ser aquecida a 1500 °C no processo de formação do clínquer.
Algumas pesquisas sugerem que a alita pode ser substituída por um mineral diferente, como a belita (CaSiO). Belite também é um mineral já utilizado em concreto. Possui temperatura de torra de 1.200 °C, significativamente inferior à da asa. Além disso, a belite fica mais forte quando o concreto cura. No entanto, a belite leva dias ou meses para endurecer completamente, fazendo com que o concreto enfraqueça por um longo período de tempo. A pesquisa atual está focada em encontrar possíveis aditivos, como o magnésio, que possam acelerar o processo de cura. Deve-se considerar também que a belite requer mais energia para ser moída, o que pode tornar o impacto de todo o seu ciclo de vida semelhante ou até maior que o da alite.[20].
Outra abordagem tem sido a substituição parcial do clínquer convencional por alternativas como cinzas volantes, cinzas sólidas e escórias, todos subprodutos de outras indústrias que de outra forma acabariam em aterros (“Aterro (lixo)”). As cinzas volantes e sólidas vêm de usinas termelétricas a carvão, enquanto a escória é um resíduo dos altos-fornos da indústria siderúrgica. Esses materiais estão lentamente ganhando popularidade como aditivos, especialmente porque podem potencialmente aumentar a resistência, diminuir a densidade e prolongar a durabilidade do concreto.[21].
O principal obstáculo à mistura de mais cinzas volantes e escória no betão pode ser o risco de construir com novas tecnologias que não tenham sido expostas a testes de campo prolongados. Até que seja introduzido um imposto sobre o carbono, as empresas não estão dispostas a correr o risco de utilizar novas receitas de misturas de betão, mesmo que reduzam as emissões. No entanto, existem alguns exemplos de concreto “verde” e sua implementação. Um exemplo é uma empresa de concreto chamada Ceratech que começou a fabricar concreto com 95% de cinzas volantes e 5% de aditivos líquidos.[20] Outra é a ponte I-35W Saint Anthony Falls, que foi construída com uma nova mistura de concreto que incluía diferentes composições de cimento Portland, cinzas volantes e escória, dependendo da parte da ponte e dos requisitos de propriedade do material.
Várias startups estão desenvolvendo e testando métodos alternativos de produção de cimento. Por exemplo, a Sublime de Somerville, Massachusetts, utiliza um processo eletroquímico sem forno, e a Fortera captura dióxido de carbono de plantas convencionais para produzir um novo tipo de cimento. A Blue Planet, de Los Gatos, Califórnia, capta o dióxido de carbono emitido para produzir concreto sintético. A CarbonCure Technologies de Halifax, Nova Escócia, adaptou seus sistemas de mineralização de carbono em centenas de fábricas de concreto em todo o mundo, injetando e armazenando permanentemente dióxido de carbono no concreto à medida que ele é misturado.[24].
Além disso, a produção de concreto requer grandes quantidades de água, sendo a produção global responsável por quase um décimo do uso global de água industrial.[25] Isso equivale a 1,7% do total de retiradas globais de água. Um estudo publicado na Nature Sustainability em 2018 prevê que a produção de concreto aumentará a pressão futura sobre os recursos hídricos em regiões suscetíveis à seca, escrevendo: "Em 2050, 75% da demanda de água para a produção de concreto provavelmente ocorrerá em regiões que deverão sofrer estresse hídrico."[26].
Carbonatação é a formação de carbonatos. No caso do cimento e do concreto, o carbonato de cálcio (CaCO) é formado por meio de uma reação química (carbonatação) que, se usada no concreto, pode sequestrar dióxido de carbono.[27] A taxa de carbonatação depende principalmente da porosidade do concreto e do seu teor de água. A carbonatação nos poros do concreto ocorre apenas quando a umidade do ar (umidade relativa, UR) está entre 40 e 90%: quando a UR está acima de 90%, o dióxido de carbono não consegue entrar nos poros do concreto, e quando está abaixo de 40%, não pode se dissolver na água.[28].
Existem 2 métodos principais para carbonatação do concreto: carbonatação por intemperismo e carbonatação precoce.[29].
A carbonatação por intemperismo ocorre no concreto quando os compostos de cálcio reagem com o dióxido de carbono () na atmosfera e a água () nos poros do concreto. A reação é a seguinte. Primeiro, através do intemperismo, o CO reage com a água nos poros do concreto para formar ácido carbônico:
O ácido carbônico então reage com o hidróxido de cálcio para formar carbonato de cálcio e água:.
Após o hidróxido de cálcio (Ca(OH)) ter sido suficientemente carbonatado, o principal componente do cimento, o hidrato de silicato de cálcio (CSH, que não é uma fórmula química), pode ser descalcificado, ou seja, fazer com que libere óxido de cálcio (), que por sua vez pode ser carbonatado:.
A carbonatação precoce ocorre quando o CO é introduzido nos estágios iniciais do concreto fresco e pronto ou durante a cura inicial, o que pode ocorrer naturalmente pela exposição do concreto ao ar, ou ser acelerado artificialmente pelo aumento da absorção de CO pelo concreto.[29].
O dióxido de carbono gasoso é convertido em carbonatos sólidos e pode ser permanentemente capturado no concreto. As reações de CO e silicato de cálcio hidratado (CSH) no cimento foram descritas em 1974 na notação química do cimento (CCN) como:[30].
Uma empresa canadense patenteou e comercializou uma nova tecnologia que utiliza carbonatação precoce para sequestrar CO. Isto é conseguido através da injeção direta de dióxido de carbono líquido de grandes emissores (por exemplo, usinas termelétricas) na fase de mistura de concreto úmido. O CO é mineralizado, retendo assim este composto de efeito estufa em infraestrutura de concreto por longos períodos de tempo.
Num estudo publicado no Journal of Cleaner Production, os autores criaram um modelo que mostra que o CO assim sequestrado melhora a resistência à compressão do betão ao mesmo tempo que reduz as emissões, permitindo uma redução na carga de cimento no betão e, ao mesmo tempo, uma "redução de 4,6% na pegada de carbono."[31].
Outro método proposto para capturar as emissões de gases de efeito estufa é absorvê-las durante o processo de cura através do uso de um aditivo — especificamente um silicato dicálcico de fase 𝛾. A utilização de cinzas volantes ou outro substituto adequado poderia, teoricamente, reduzir as emissões para menos de zero (emissões negativas), em comparação com as emissões do betão de cimento Portland (400 kg/). O método mais eficaz para produzir este concreto com emissões negativas seria usar gases de exaustão de uma usina de energia, onde uma câmara isolada poderia controlar a temperatura e a umidade.[32].
Em agosto de 2019, foi anunciado um cimento de redução que "reduz a pegada geral de carbono do concreto pré-moldado em 70%."[33] A base deste cimento é principalmente volastonita () e rankinita") (), ao contrário do cimento Portland tradicional, à base de alita ().
O processo patenteado de fabricação de concreto com emissões reduzidas começa com a ligação de partículas por meio de sinterização em fase líquida, também chamada de "densificação hidrotérmica reativa em fase líquida" (rHLPD). Uma solução de água e CO penetra nas partículas, reagindo sob condições ambientais para formar uma ligação que cria cimento de silicato de cálcio não hidráulico, com cal reduzida (CSC). A diferença entre o concreto tradicional com cimento Portland e esses concretos de silicato de cálcio carbonatado (CSC-C) está na reação do processo de cura final entre uma solução de água-CO e uma família de silicatos de cálcio. De acordo com um estudo de um cimento de emissões reduzidas, denominado Solidia, "a cura do CSC-C é uma reação ligeiramente exotérmica na qual os silicatos de cálcio com baixo teor de cal do CSC reagem na presença de água para produzir calcita (CaCO) e sílica (óxido de silício (IV)") () como segue:.
Os primeiros métodos de carbonatação ganharam reconhecimento pelas suas significativas capacidades de sequestro de carbono. No entanto, alguns autores argumentaram que o efeito da cura precoce por carbonatação pode subsequentemente sucumbir à carbonatação por intemperismo. Por exemplo, um artigo de 2020 afirma: "Resultados experimentais sugerem que os primeiros concretos carbonatados com altas proporções de água/cimento (>0,65) têm maior probabilidade de serem afetados pela carbonatação por intempéries."[35] O artigo alerta que isso pode enfraquecer a resistência do concreto ao longo de sua vida útil.
Outro aspecto a considerar no concreto carbono é o descascamento da superfície devido às condições de clima frio e à exposição a sais anticongelantes e ciclos de congelamento-degelo (desgaste pelo gelo). O concreto produzido por cura por carbonatação também apresenta desempenho superior quando sujeito a degradações físicas, por exemplo, danos por congelamento-degelo, particularmente devido a um efeito de densificação de poros possibilitado pela precipitação de produtos de carbonatação.[36].
A empresa italiana Italcementi projetou um tipo de cimento que supostamente reduz a poluição do ar ao decompor os poluentes que entram em contato com o concreto produzido com esse cimento, utilizando dióxido de titânio "Óxido de Titânio (IV)"), que absorve a luz ultravioleta e, com isso, promove reações que decompõem os poluentes. No entanto, alguns especialistas ambientais permanecem céticos e questionam se este material especial pode “comer” poluentes suficientes para ser economicamente viável. A Igreja Jubileu em Roma é construída com este tipo de concreto.[37].
Dióxido de titânio "Óxido de titânio (IV)") (TiO), um material semicondutor que demonstrou exibir comportamento fotocatalítico, tem sido usado para remover óxidos de nitrogênio (chamados NO e também NO) da atmosfera. Existem 6 óxidos de nitrogênio, cada um com vários nomes. Por exemplo, o NO é chamado de monóxido de dinitrogênio, óxido de nitrogênio (I), óxido nitroso e anidrido hiponitroso. O óxido nítrico "óxido de nitrogênio (II)") e o dióxido de nitrogênio são gases que, se liberados na atmosfera, contribuem para a formação de chuva ácida e smog (tradução espanhola do inglês smog admitida[38] pela RAE). Uma vez que a formação de NO ocorre apenas a altas temperaturas, os óxidos de azoto são normalmente produzidos como subproduto da combustão de hidrocarbonetos, por exemplo, em motores de veículos.
Além de contribuir para a poluição urbana, foi demonstrado que o NO prejudica a saúde e o meio ambiente de diversas maneiras, inclusive provocando desconforto respiratório (dispnéia), reagindo com outros produtos químicos atmosféricos para formar produtos nocivos, como ozônio, nitroarenos e radicais nitratos, e contribuindo para o efeito estufa. A Organização Mundial da Saúde (OMS) recomendou uma concentração máxima de NO de 40 μg/m (microgramas por metro). cúbico de ar).[40] Uma das formas propostas para reduzir as concentrações de NO, especialmente em ambientes urbanos, é usar TiO fotocatalítico misturado com concreto para oxidar NO e NO e formar nitrato. Na presença de luz, o TiO gera elétrons e lacunas que permitem que o NO seja oxidado em NO, e depois o NO em HNO (ácido nítrico) através de um ataque radical hidroxila. detalhado abaixo:
A geração de lacunas e elétrons através da ativação do TiO é esquematizada da seguinte forma:
Captura de elétrons/buracos:.
Ataque radical hidroxila:.
Recombinação de elétrons e buracos:.
Outra rota para a oxidação do nitrogênio utiliza radiação UV para formar NO.[41].
O uso de células solares sensibilizadas por corantes embutidas em concreto tem sido proposta como um método para reduzir a pegada de carbono dos edifícios. A utilização destas células solares permite a geração de energia pela superfície exterior do próprio edifício, que se combinada com baterias, forneceria energia constante dia e noite (dependendo do número de células solares, do grau de insolação e do consumo de energia). A camada superior do concreto seria uma fina camada de células solares sensibilizadas com corante. Estas células são particularmente atrativas devido à sua facilidade de produção em massa, seja por impressão em rolo ou pintura, e à eficiência razoavelmente elevada na transformação de 10%[42] da energia solar que chega sobre elas em eletricidade. Um exemplo de comercialização deste conceito é a empresa alemã Discrete, que produz betão com estas células. Seu processo usa um método de revestimento por spray para aplicar corantes orgânicos geradores de eletricidade no concreto.[43].
O armazenamento de energia tornou-se essencial para muitos métodos de geração de energia renovável, como a energia solar ou eólica, que são produtores de energia intermitentes (geram eletricidade quando o sol brilha ou o vento sopra) que requerem armazenamento para ser usado constantemente.
Atualmente, 96% do armazenamento de energia mundial vem de usinas hidrelétricas reversíveis (também chamadas de “usinas bombeadas”), que, quando há “sobra” de eletricidade renovável, a utilizam para bombear água para uma barragem elevada e depois, quando falta, deixam a água cair para acionar turbinas hidráulicas. Contudo, as estações de bombagem requerem geografias específicas que podem ser difíceis de encontrar, especialmente em países planos. Um conceito semelhante que utiliza cimento em vez de água foi implementado pela Energy Vault, uma startup suíça. Eles criaram uma instalação que utiliza um guindaste elétrico cercado por pilhas de blocos de concreto de 35 toneladas, que podem ser produzidos a partir de resíduos, para armazenar energia. Quando sobra energia elétrica, ela é utilizada para levantar os blocos e, quando falta, os blocos caem lentamente, girando um dínamo (gerador elétrico), que injeta energia na rede elétrica. A instalação teria uma capacidade de armazenamento entre 25 e 80 megawatts-hora MWh.[44].
Outras melhorias com impacto ambiental não diretamente relacionado às emissões foram propostas para o concreto. Recentemente, tem havido muita pesquisa sobre concretos “inteligentes”, que utilizam sinais elétricos e mecânicos para responder a mudanças nas condições de carregamento. Uma variedade utiliza um reforço de fibra de carbono que fornece uma resposta elétrica, que pode ser usada para medir o estresse a que a construção está submetida. Isso permite que a integridade estrutural do concreto seja monitorada sem a instalação de sensores.[45].
A indústria de construção e manutenção de estradas consome diariamente toneladas de concreto com alta intensidade de emissões para a manutenção de estradas e infraestrutura urbana. À medida que a população cresce, esta infra-estrutura torna-se cada vez mais vulnerável ao impacto dos veículos, criando um ciclo cada vez maior de danos, detritos provenientes de infra-estruturas danificadas pelo trânsito e um consumo cada vez maior de betão para reparações. Um grande avanço na indústria das infra-estruturas envolve a utilização de resíduos de petróleo reciclado para proteger o betão contra danos e permitir que a infra-estrutura se torne dinâmica, capaz de ser facilmente mantida e melhorada sem perturbar as fundações existentes. Esta inovação preserva teoricamente a fundação durante toda a vida útil de um edifício.
Outra área de pesquisa concreta é o chamado concreto “sem água” para uso na colonização extraplanetária. Esses concretos utilizam mais comumente enxofre como ligante não reativo, permitindo a construção de estruturas de concreto em ambientes com pouca ou nenhuma água. Esses concretos são, em muitos aspectos, indistinguíveis do concreto hidráulico normal: eles têm densidades semelhantes, podem ser reforçados (concreto armado) e, de fato, ganham resistência mais rapidamente do que o concreto normal.[46] Sua aplicação ainda não foi explorada na Terra, mas com a produção de concreto representando até 2 terços do consumo total de energia de alguns países em desenvolvimento,[15] vale a pena considerar quaisquer melhorias.