Certo dia de setembro, começou a nevar dentro do Laboratório Pierce do MIT. 

Pesquisadores despressurizaram um tanque de dióxido de carbono líquido (CO2) , congelando-o instantaneamente e liberando flocos sólidos. Estes foram misturados à pasta de cimento e prensados em discos aproximadamente do tamanho de uma moeda de dez centavos, cada um selado com uma fina camada de óleo vegetal para impedir a entrada de água e a saída de ar. A equipe direcionou lasers para cada disco, observando pela primeira vez a reação química transitória que pode explicar por que a pasta de cimento com injeção de CO2 ganha resistência mais rapidamente.

Injetar CO2 em produtos de cimento, como o concreto, é uma forma de armazená-lo e mantê-lo fora da atmosfera. O processo tem atraído interesse comercial, com um número crescente de empresas oferecendo misturas de concreto com injeção de CO2 . Mas, até agora, a química subjacente do cimento não havia sido visualizada diretamente.

Um novo artigo de acesso aberto publicado no Journal of the American Ceramic Society — liderado pelo professor associado Admir Masic e com autoria principal do estudante de pós-graduação Marcin Hajduczek, ambos do MIT Concrete Sustainability Hub e do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT — descreve a sequência química que ocorre após o CO2 entrar em contato com a pasta de cimento fresca. Os coautores incluem os colegas do MIT Santiago El Awad e Franz-Josef Ulm, juntamente com pesquisadores do IIT Jodhpur e da CarbonCure Technologies.

Estudos anteriores haviam construído uma história sobre os impactos químicos da injeção de CO2 a partir da teoria e de evidências indiretas; as reações-chave simplesmente ocorriam rápido demais e desapareciam por completo demais para que as técnicas convencionais as capturassem em ação. A microscopia confocal Raman conseguiu isso — e funciona com base em um princípio simples: ilumine uma molécula com um laser e a luz dispersa revelará sua identidade. A luz interage com as ligações químicas únicas de cada material, alterando sua energia para produzir uma “impressão digital” espectral distinta. Mesmo as fases mais efêmeras e amorfas deixam um rastro legível.

“Utilizamos a espectroscopia Raman para compreender melhor alguns dos materiais mais interessantes da história, desde os Manuscritos do Mar Morto até o concreto da Roma Antiga”, diz Masic. “A pasta de cimento pode parecer menos glamorosa em comparação, mas apontar um laser para a pasta de cimento injetada com CO2 enquanto ela endurece nos permite visualizar coisas que nunca foram vistas antes.”

O que eles viram, desenrolando-se durante 24 horas de escaneamento contínuo, foi um drama químico em três atos.

No momento em que o CO2 é adicionado à pasta de cimento fresca, ele começa a agir. Dissolve-se na solução dos poros e reage com o cálcio liberado pela dissolução do clínquer, precipitando-se em várias formas de carbonato de cálcio. O clínquer é produzido pelo aquecimento de calcário e materiais aluminossilicatos em um forno, formando o principal ingrediente moído em pó fino para a fabricação do cimento. Isso ocorre na primeira hora, retardando temporariamente a reação normal de hidratação, que requer cálcio para prosseguir. 

Em contrapartida, quando o CO2 não está presente, o cálcio liberado pela dissolução do clínquer permanece disponível localmente, favorecendo a formação gradual das fases de ligação do material à medida que este endurece.

Sem cálcio, os silicatos liberados pelo clínquer se dissolvem na solução dos poros e precipitam longe de sua origem, ligando-se em cadeias que formam uma rede interconectada de gel de sílica por toda a pasta. Esse gel amorfo e efêmero prepara o terreno para o que se segue.

Assim que o CO2 injetado estiver totalmente mineralizado — cerca de quatro a cinco horas após a mistura — a hidratação normal é retomada. O hidróxido de cálcio começa a precipitar no espaço poroso e, ao fazê-lo, encontra a rede de gel de sílica que o aguarda.

A reação entre as duas fases começa imediatamente, produzindo hidrato de silicato de cálcio (CSH), o composto que confere ao cimento sua capacidade de ligação. O que torna essa forma de CSH distinta é onde e como ela se forma: não agrupada em torno das partículas de clínquer como na hidratação convencional, mas distribuída por toda a matriz, onde quer que o gel de sílica tenha se espalhado.

O CO2 suprimiu temporariamente a alcalinidade da pasta, e esse pH mais baixo era o único fator que mantinha o gel de sílica intacto. À medida que a hidratação se restabelece e produz os produtos de hidratação padrão, ou seja, CSH e hidróxido de cálcio, este último eleva o pH de volta aos níveis típicos em um ciclo de auto-reforço; o gel de sílica reage com o hidróxido de cálcio por meio de uma chamada reação pozolânica. Em oito horas, o gel de sílica desaparece quase completamente — a rede de gel, anteriormente bem distribuída, transforma-se rapidamente em CSH adicional durante esse período inicial crítico. 

“A princípio, a natureza efêmera do gel de sílica parecia uma coincidência nos dados de Raman. Mas logo ficou claro que seu desaparecimento repentino era uma característica consistente e inegável de todas as amostras injetadas com CO2 ” , diz Hajduczek.

Com o consumo do gel de sílica, a pasta se estabiliza na hidratação convencional, mas o que resta é visivelmente diferente. Como o novo aglomerante foi distribuído de maneira mais uniforme por toda a matriz de cimento, a microestrutura resultante é mais resistente e uniforme desde a idade inicial. No estudo, a pasta misturada com CO2 a 1% em relação ao peso do cimento atingiu, em média, uma resistência à compressão 13% maior após 24 horas, em comparação com as misturas de referência.