Propriedades mecânicas e durabilidade do concreto com zeólita e pó de cerâmica residual por meio de investigação experimental e análise por aprendizado de máquina

Transformando ladrilhos descartados em concreto mais resistente

O concreto está em toda parte: em nossas casas, pontes e ruas da cidade. Mas produzir cimento, o aglutinante que mantém o concreto unido, consome muita energia e é uma fonte importante de dióxido de carbono. Ao mesmo tempo, montanhas de ladrilhos cerâmicos quebrados de obras e demolições acabam em aterros. Este estudo explora uma maneira de enfrentar os dois problemas ao mesmo tempo — substituindo parte do cimento por minerais vulcânicos naturais e por cerâmica residual finamente moída, e usando aprendizado de máquina para prever quão bem esse concreto mais ecológico irá desempenhar.

Por que repensar os ingredientes do concreto?

O cimento é a parte mais cara e ambientalmente danosa do concreto. Produzi‑lo queima grandes quantidades de combustível e libera CO₂. Enquanto isso, a indústria de ladrilhos cerâmicos gera milhões de toneladas de resíduos por ano que são difíceis de reciclar por meios convencionais. Os pesquisadores investigaram dois substitutos promissores que podem suprir parte do cimento: a zeólita natural, um mineral vulcânico reativo, e o pó de cerâmica residual feito a partir de ladrilhos descartados. Ambos são ricos em sílica e alumina, que podem reagir com subprodutos da hidratação do cimento para formar gel de ligação adicional, potencialmente tornando o concreto mais resistente e menos permeável à água e aos sais.

Projetando e testando as novas misturas

A equipe preparou treze receitas diferentes de concreto. Mantiveram o teor de água, areia e brita constantes, mas substituíram parte do cimento por zeólita (5%, 10% ou 15%) e pó de cerâmica (0%, 10%, 20% ou 30%) de forma sistemática. Para cada mistura, confeccionaram corpos de prova padrão e os curaram em água por até 91 dias. Em seguida mediram propriedades-chave que importam para estruturas reais: resistência à compressão (quanto de carga o concreto suporta antes de esmagar), resistência à tração e à flexão (quão bem resiste a fissuras e a dobramento), quanto de água ele absorve e com que facilidade íons cloreto — como os do sal de estrada ou da água do mar — podem penetrar. A resistência a cloretos foi avaliada com um ensaio rápido padrão que mede a carga elétrica que atravessa uma lâmina de concreto durante seis horas.

Concreto mais forte, menos permeável e mais durável

Os experimentos mostraram que misturas de zeólita e pó de cerâmica podem superar o concreto comum quando as proporções são escolhidas com cuidado. Uma mistura com 15% de zeólita e 10% de pó de cerâmica apresentou o melhor comportamento mecânico global, aumentando a resistência à compressão, à tração e à flexão em todas as idades de ensaio em comparação com a mistura convencional. Ao mesmo tempo, esse concreto híbrido absorveu muito menos água — até cerca de três quartos a menos após 91 dias — indicando que sua rede de poros interna ficou muito mais densa. Para proteção contra sais corrosivos, uma substituição ainda mais agressiva (15% de zeólita e 30% de pó de cerâmica) apresentou o resultado mais impressionante: a carga elétrica medida, relacionada à penetração de cloretos, caiu de cerca de 3200 coulombs no concreto de referência para aproximadamente 425 coulombs, deslocando o material para a categoria de permeabilidade "muito baixa" usada pelos engenheiros.

O que acontece dentro do concreto

A química microscópica explica esses ganhos. Tanto a zeólita quanto o pó de cerâmica contêm sílica e alumina amorfas e finamente divididas. No interior do concreto úmido, elas reagem com hidróxido de cálcio, um subproduto relativamente fraco e solúvel da hidratação do cimento. Essa reação forma silicatos de cálcio hidratados adicionais e géis relacionados — o mesmo tipo de cola que confere resistência ao concreto. Esses géis preenchem e refinam o sistema de poros, espessam a zona de contato entre a pasta e a brita e reduzem o número de caminhos pelos quais água e íons cloreto podem transitar. Na prática, as partículas de cerâmica residual atuam tanto como micro‑preenchimento quanto como ingredientes reativos, enquanto a zeólita fornece superfícies altamente ativas que impulsionam as reações químicas.

Deixando os computadores preverem o desempenho do concreto

Para ir além do método empírico em laboratório, os pesquisadores treinaram vários modelos de aprendizado de máquina com seus dados de ensaio. Os modelos usaram como entradas o tempo de cura e as porcentagens de zeólita e pó de cerâmica, e aprenderam a prever a resistência à compressão. Entre as abordagens testadas, um algoritmo chamado XGBoost — um tipo de método de árvores de decisão com boosting — forneceu as previsões mais precisas, com alto grau de concordância entre resistências previstas e medidas. Isso sugere que, uma vez treinados com um conjunto experimental modesto, tais modelos podem ajudar engenheiros a explorar rapidamente muitas combinações possíveis de aditivos naturais e à base de resíduos, restringindo as misturas mais promissoras antes de lançar qualquer concreto.

O que isso significa para estruturas do dia a dia

Para um público não especializado, a conclusão é que este estudo indica uma receita prática para concreto mais verde e mais duradouro. Ao trocar uma parcela significativa do cimento por zeólita natural e ladrilhos residuais finamente moídos, é possível reduzir o uso de cimento, reciclar um subproduto industrial e, ao mesmo tempo, obter concreto que trinca menos, absorve muito menos água e é muito mais resistente ao ataque por sais. Em conjunto com ferramentas de aprendizado de máquina que podem guiar futuros projetos de mistura, essa abordagem oferece um caminho para estradas, pontes e estruturas costeiras que sejam ao mesmo tempo mais sustentáveis e mais duráveis ao longo de sua vida útil.

Citação: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

Palavras-chave: concreto sustentável, cerâmica residual, zeólita, durabilidade, aprendizado de máquina