Avaliação experimental e numérica do comportamento mecânico do concreto ativado alcalinamente com escória e vidros residuais reciclados e pós de metacaulim dealuminado

Concreto mais verde para um mundo em crescimento

As cidades modernas são construídas em concreto, mas o concreto tradicional à base de cimento traz uma pegada de carbono pesada e consome grandes quantidades de matérias-primas. Este estudo explora um novo tipo de concreto “verde” que substitui grande parte do cimento e dos agregados usuais por subprodutos industriais e resíduos, incluindo escória da siderurgia e vidro residual finamente moído. Ao demonstrar que essas misturas podem igualar ou até superar o concreto convencional, a pesquisa aponta para pontes e edifícios mais robustos que também são mais gentis com o planeta.

Transformando resíduos industriais em blocos de construção

O concreto examinado neste trabalho é baseado em escória ativada alcalinamente, um aglomerante obtido pela ativação química da escória de alto-forno moída em vez do uso de cimento Portland. Os pesquisadores substituíram parcialmente a areia natural e a escória por dois subprodutos industriais: pó de vidro reciclado e metacaulim dealuminado, um resíduo rico em sílica e alumina da extração de alumínio. Também testaram dois tipos de pedra britada—dolomita e basalto—e adicionaram fibras curtas de aço a algumas misturas. No total, criaram várias receitas cuidadosamente controladas para ver como cada ingrediente afetava resistência, rigidez, fissuração e comportamento geral sob carregamento.

Do molde do laboratório à resistência medida

Para avaliar o desempenho, a equipe moldou e curou cubos, cilindros e vigas de concreto em temperatura ambiente, evitando cura térmica intensiva em energia. Mediram resistência à compressão (quanto o concreto suporta sob esmagamento), resistência à tração por compressão diametral (como se comporta quando é indiretamente puxado), resistência à flexão e rigidez. De modo geral, as misturas com agregado mais duro, o basalto, superaram as com dolomita. Quando se adicionou pó de vidro residual ou metacaulim dealuminado, o concreto tornou-se mais denso e resistente. O destaque claro foi uma mistura que combinou basalto, 10% de metacaulim dealuminado (substituindo parte da escória) e 1% de fibras de aço: ela apresentou as maiores resistências à compressão, tração e flexão, além da maior rigidez.

Olhando para o esqueleto interno do concreto

Para descobrir por que algumas misturas funcionaram melhor, os pesquisadores examinaram fatias minúsculas de concreto em microscópios eletrônicos de varredura e usaram sondas químicas para mapear a distribuição dos elementos-chave. As misturas piores mostraram uma estrutura interna porosa e irregular, com zonas de contato fracas entre o agregado e a pasta. Em contraste, as misturas de melhor desempenho apresentaram uma rede de produtos de reação compacta e uniforme ligando tudo, especialmente ao redor dos agregados de basalto e das fibras de aço. O metacaulim dealuminado ajudou a formar um gel denso e entrelaçado que preencheu microvãos, enquanto as fibras de aço atravessavam fissuras em desenvolvimento, impedindo que elas se abrissem subitamente. Essa microestrutura refinada explica o salto em resistência, tenacidade e resistência à fissuração.

Simulando vigas antes de construí‑las

Além de pequenos corpos de prova, o estudo utilizou simulações avançadas por elementos finitos para prever como vigas de concreto armado em escala real, feitas com as diferentes misturas, se comportariam em flexão. Os pesquisadores calibraram um modelo de dano no software ABAQUS para que suas curvas tensão‑deformação corressem às medidas em laboratório. Uma vez ajustado, o modelo reproduziu com precisão as cargas de colapso e os padrões de fissuras em cubos, cilindros e prismas. Eles então realizaram um estudo paramétrico virtual de vigas armadas. Vigas feitas com basalto e as misturas otimizadas à base de resíduos suportaram cargas muito maiores, sofreram menos flecha na carga máxima e mostraram fissuração mais gradual e dúctil. A mistura contendo 10% de metacaulim dealuminado e 1% de fibras de aço aumentou a capacidade de carga em cerca de 46% e reduziu a flecha no vão em aproximadamente um quinto em comparação com uma mistura de referência, tudo isso sem alterar a armadura de aço.

O que isso significa para estruturas futuras

Para não especialistas, a conclusão é clara: é possível projetar concreto que seja ao mesmo tempo mais resistente e mais sustentável transformando sobras industriais—escória, vidro residual e argilas dealuminadas—em ingredientes de alto desempenho, especialmente quando combinados com fibras de aço e agregados robustos. O estudo mostra que esses concretos verdes podem ser testados de maneira confiável, compreendidos em nível microscópico e modelados com confiança no computador, oferecendo aos engenheiros ferramentas práticas para projetar vigas e outros elementos mais seguros e eficientes. A longo prazo, essa abordagem pode ajudar a reduzir o ônus ambiental da construção, mantendo rodovias, pontes e edifícios duráveis.

Citação: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Palavras-chave: concreto sustentável, vidro residual, geopolímero, armadura com fibras de aço, modelagem numérica