Biochar

14.4.1 Materiais derivados de carboidratos em cimento e betão

Biochar é um material carbonáceo derivado de biomassa de resíduos, dos quais várias propriedades chave, incluindo a baixa densidade aparente, a baixa condutividade térmica e a natureza porosa, o tornaram capaz de apresentar características de desempenho distintas do betão. Por exemplo, a baixa densidade resulta na produção de betão mais leve, pelo que o biochar actua como uma alternativa eficaz à fracção de maior volume absorvida pelos materiais mais densos, como o cimento em pó e o agregado (Cuthbertson et al., 2019). Além disso, a baixa condutividade térmica e a estrutura porosa do biochar têm um efeito no aumento do isolamento térmico do material através da ruptura da ponte térmica. Para além das suas propriedades de isolamento, os vazios e redes de poros interligados derivados do biochar também aumentam a absorção sonora do betão. Estudos recentes sugerem ainda que a adição de biochar nos compósitos à base de cimento poderia aumentar a resistência à compressão, promovendo a hidratação do cimento devido à sua elevada capacidade de retenção de água (Wang et al., 2019). O biochar pode liberar água gradualmente durante a hidratação do cimento. Isto leva ao betão com propriedades mecânicas melhoradas (Cuthbertson et al., 2019). Além disso, o biochar tem normalmente uma granulometria fina, pelo que o biochar pode ser utilizado como cargas para encher os microporos nos materiais de construção (Wang et al., 2019). Em comparação com os compósitos incorporados na madeira, os compósitos biochar modificados mostraram uma resistência relativamente elevada ao fogo devido às suas propriedades físico-químicas estáveis. Assim, o biochar é utilizado como um recurso renovável para substituir o conteúdo de cimento enquanto se faz argamassa que está a ser utilizada na indústria da construção.

Biochar está provado que melhora efectivamente as propriedades do betão em ambos os lados da escala quando se substitui o cimento em fracções menores, tais como a resistência à flexão e a resistência à ruptura por tracção (Akhtar e Sarmah, 2018). Verificou-se que a adição de 0,1% (v/v) de biochar como aglutinante de substituição apresentou o melhor desempenho em resistência mecânica no betão. As matérias-primas Biochar, tais como cama de aves e lodo de fábricas de papel e celulose, desempenham um papel ativo no aumento da absorção de água no concreto. O Biochar é considerado um material ideal para reduzir o CO2 na produção de concreto, bem como para diminuir o sequestro de carbono (Akhtar e Sarmah, 2018). Pesquisas mostraram que um aumento de 78% na resistência à tração para amostras de concreto com adição de bagaço tratado com 5% de biochar comparado ao concreto sem nenhum biochar (Zeidabadi et al., 2018). A adição biochar leva a uma redução linear na densidade do concreto de cerca de 2200 para 1454 kg/m3 quando se compara sem adição de carbono e 15 wt.% biochar. Além disso, a adição de biochar também aumenta os coeficientes de absorção sonora do betão, uma vez que gera uma estrutura de poros bem desenvolvida no interior do betão. Além disso, a condutividade térmica do concreto também diminuiu e atingiu seu mínimo com a adição de 2 wt.% de biochar. Contudo, a força desfavorável reduzida do betão causada pela adição de biochar faz deste material composto um betão de baixa resistência (Cuthbertson et al., 2019). O tempo de presa inicial foi reduzido e a resistência inicial à compressão da argamassa foi aumentada tanto pelo biochar fresco como pelo biochar saturado. Verificou-se que a adição de biochar incorporou significativamente a ductilidade da argamassa sob flexão, embora tenha tido pouco efeito na resistência à flexão. A adição de biochar também levou à impermeabilidade da argamassa devido à redução da penetração de água e da sorptividade. No entanto, o biochar fresco contribuiu para uma maior resistência mecânica e uma maior permeabilidade quando comparado com o biochar saturado com dióxido de carbono (Gupta et al., 2018a). A este respeito, o biochar revela-se um material promissor utilizado como aditivo na construção de betão, contribuindo tanto para o sequestro de carbono como para a reciclagem de resíduos. O teste de compressão revelou que com uma maior substituição biochar na argamassa, a resistência à compressão foi reduzida com o aumento da substituição biochar e foram formados menos hidratos de silicato de cálcio nos compósitos do cimento biochar. O teste de absorção de água mostrou que com a crescente substituição biochar, mais água é retida nos compósitos argamassas-biochar. A partir dos resultados, pode concluir-se que o biochar pode ser uma alternativa viável de cimento, até uma determinada percentagem, ao mesmo tempo que se faz argamassa para aplicações específicas (Roy et al., 2017).

Envolvem-se cada vez mais pesquisas sobre a exploração das condições óptimas da adição de biochar ao betão. Parâmetros como o tamanho, dosagem e pirólise são levados em consideração. Como argamassa de cimento, as partículas macroporosas mais grosseiras do biochar (tamanho 2-100 μm) são mais eficazes para melhorar a fluidez e viscosidade da pasta de cimento, em comparação com a das partículas mais finas (tamanho 0,10-2 μm) (Gupta e Kua, 2019). Mesmo assim, está provado que este último tem mais efeito na melhoria da resistência precoce e da estanqueidade à água sob condições de cura a seco, em comparação com o primeiro biochar (Gupta e Kua, 2019). A adição de 1-2 wt.% biochar pirolíticos a 300°C-500°C melhora a resistência compressiva precoce (7 dias) da argamassa devido à alta retenção de água. A adição de biochar não influenciou significativamente a resistência à flexão, a retracção de secagem e o módulo de elasticidade. Com base nos resultados experimentais, conclui-se que 1-2 wt.% de adição de biochar pode ser recomendada para melhorar a resistência e reduzir a permeabilidade da argamassa de cimento (Gupta et al., 2018b). Vários parâmetros de pirólise e a natureza das matérias-primas do biochar têm um efeito sobre as propriedades mecânicas dos compósitos de cimento. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram uma melhoria promissora na resistência, tenacidade e ductilidade. De facto, foram registados maiores valores de resistência à flexão e de energia de fractura para as amostras com a adição de biochar em comparação com as amostras sem o biochar. Entretanto, os valores de resistência à flexão e energia de fratura poderiam ser afetados por diferentes parâmetros de pirólise utilizados na produção do biochar (temperatura, taxa de aquecimento e pressão). Portanto, os resultados poderiam ser influenciados pelo tipo de material carbonáceo e pelos parâmetros de produção, e não pelo tamanho das partículas de carbono. De um ponto de vista económico, estas partículas de carbono têm custos zero, uma vez que são o desperdício do processo de pirólise da biomassa. Por este motivo, representam bons materiais para novos materiais de construção verdes (Cosentino et al., 2018).

Besides, adicionar partículas biochar ao betão vegetal é uma forma de melhorar ainda mais a compatibilidade vegetal do betão vegetal. Colocado como base de reforço e coberto pela camada de solo com vegetação, o betão vegetal é composto por cimento, água e agregado grosseiro. A redução da alcalinidade do betão vegetal utilizando cimento de baixa base ou adicionando aditivos é significativa para melhorar a compatibilidade das plantas e a resistência à compressão do betão vegetal. Pesquisas mostram que o conteúdo do biochar aumentou, o coeficiente de porosidade e permeabilidade do concreto vegetal continuou a diminuir, enquanto o efeito do biochar sobre a promoção do crescimento das plantas mostrou, inicialmente, um aumento ao máximo e, em seguida, uma diminuição gradual. Portanto, a adição de uma quantidade adequada de biochar pode melhorar as características do betão vegetal. Além disso, a proporção ótima de mistura de concreto vegetal modificado com biochar foi recomendada (Zhao et al., 2019).

Cimento é um dos materiais mais significativos para o desenvolvimento urbano, do qual a produção é responsável por grandes emissões globais de CO2. Neste sentido, a utilização de materiais verdes e sustentáveis na produção de cimento pode ajudar a reduzir a emissão de gases de efeito estufa para a atmosfera e a aliviar o aquecimento global. Entre esses materiais, a biomassa derivada dos resíduos agrícolas provou ser uma alternativa eficaz ao cimento Portland na produção de concreto, o que reduziu com sucesso o impacto ambiental da produção de cimento. Tais materiais sintetizados podem ser utilizados como materiais pozolânicos (Zeidabadi et al., 2018). A utilização do biochar como aditivo de fixação de carbono em argamassas de cimento ou como carga para o betão padrão no lugar da areia ou do agregado grosso apresentou potenciais melhorias das suas características de desempenho, bem como uma oportunidade de fixação de carbono.