Betão com biochar de fezes humanas pode ficar mais resistente

O betão é, literalmente, a base sobre a qual assenta o mundo moderno.

Quase todos os projetos de construção no planeta recorrem a este material de alguma forma. Existe, porém, um problema enorme: produzir cimento, um dos seus ingredientes fundamentais, é extremamente prejudicial para o ambiente.

Aquecer e processar calcário para fabricar cimento constitui uma das principais fontes mundiais de emissões de dióxido de carbono. Por isso, é compreensível que os cientistas procurem formas de atenuar este problema.

Investigadores liderados pelo engenheiro civil Raghuvesh Tiwari, da Manipal University Jaipur, na Índia, poderão ter encontrado uma solução engenhosa para resolver simultaneamente duas questões ambientais.

Ao incorporar biochar produzido a partir de lamas de fezes humanas processadas em instalações de tratamento de lamas fecais, o seu betão “apresenta melhorias significativas nas propriedades do betão”, escrevem os autores num artigo aceite para publicação na Scientific Reports.

Porque é que o betão depende tanto do cimento

A utilidade extraordinária do betão resulta da combinação das suas propriedades. Quando está húmido, é moldável e pode ser vertido em praticamente qualquer formato; depois de endurecer, transforma-se num material suficientemente resistente para suportar cargas enormes e durável ao ponto de subsistir durante décadas - ou até milénios.

Habitualmente, é fabricado com alguns componentes em proporções específicas: areia, gravilha, água e o próprio cimento, que é produzido sobretudo a partir de calcário.

Infelizmente, esta combinação é exigente. Alterar o equilíbrio entre os ingredientes ou substituir parte do cimento por outro material pode originar um betão menos resistente ou menos durável do que o convencional. Um material de construção que literalmente fissura sob pressão terá pouca utilidade.

Um substituto do cimento que tem vindo a revelar-se cada vez mais promissor é o biochar, um material rico em carbono obtido através do aquecimento de matéria orgânica num ambiente pobre em oxigénio.

Uma das vantagens do biochar é poder ser fabricado a partir de muitos tipos de matéria orgânica.

E os seres humanos produzem uma quantidade considerável de matéria orgânica: até cerca de 400 gramas de fezes por pessoa, por dia. Individualmente, não parece muito, mas, quando vários milhões de pessoas o fazem, é quase surpreendente que os sistemas de esgotos funcionem tão bem como funcionam.

De qualquer forma, todas essas toneladas diárias de fezes têm de ir parar a algum lado, e é aí que as peças começam a encaixar.

Na Índia, foram criadas instalações de tratamento de lamas fecais para gerir os resíduos humanos em segurança. Estes podem ser convertidos em biochar por pirólise; assim, os investigadores perguntaram-se: se o biochar de serradura, madeira, casca de arroz e outros materiais é eficaz na produção de betão, porque não utilizar fezes?

Betão com biochar de fezes humanas posto à prova

Para testar a hipótese, Tiwari e os seus colegas obtiveram biochar de lamas fecais numa instalação de tratamento em Warangal, na Índia.

Para produzir o biochar, as lamas fecais são secas e, em seguida, aquecidas num ambiente de baixo teor de oxigénio, a temperaturas entre 350 e 450 graus Celsius, para formar biochar. Depois, o material é moído e peneirado até se obter um pó fino.

Os investigadores usaram este pó para substituir quantidades variáveis de cimento - 5, 10 e 15 por cento - em betão convencional. De seguida, submeteram o betão com fezes a uma série de ensaios para avaliar a sua resistência.

E, de forma surpreendente, uma pequena quantidade de fezes melhorou o betão.

A equipa mediu a retração, a resistência à compressão, a resistência à flexão, a absorção de água e a porosidade das várias misturas, e foi aqui que os resultados se tornaram particularmente interessantes.

De forma geral, o betão mais resistente foi produzido quando 5 por cento do cimento foi substituído por biochar de fezes.

Mas o betão com fezes revelou outra característica interessante: continuou a ganhar uma resistência considerável durante a cura. Os investigadores indicam que, após 91 dias, a mistura com 5 por cento registou aumentos médios de 20 por cento na resistência à compressão e de 36 por cento na resistência à flexão.

Com 10 por cento de substituição do cimento, estes aumentos foram ainda maiores: 21 por cento na resistência à compressão e uns expressivos 42 por cento na resistência à flexão.

A resistência do betão com fezes não pareceu ser obtida à custa de algumas das restantes propriedades avaliadas pela equipa.

Com 5 por cento de biochar, o material absorveu, em geral, menos água e apresentou menor porosidade do que o betão convencional, além de uma menor retração durante a secagem. Com 10 por cento, o seu desempenho manteve-se globalmente comparável ao do betão comum.

Contudo, como acontece tantas vezes, existe algo como fezes a mais.

Quando a substituição do cimento atingiu 15 por cento, o betão continuou a ganhar resistência durante a cura, mas a sua resistência global ficou abaixo das versões com 5 e 10 por cento.

Porque é que o biochar de fezes reforça o betão

Então, porque é que acrescentar uma pequena quantidade de fezes torna o betão mais resistente?

Os investigadores consideram que vários efeitos atuam em conjunto. Em primeiro lugar, o biochar de fezes é muito poroso, estando repleto de pequenas cavidades capazes de absorver água e libertá-la gradualmente enquanto o betão cura.

Na prática, as partículas de biochar funcionam como minúsculos reservatórios internos, mantendo água disponível para as reações químicas que endurecem e reforçam o cimento.

Mas as fezes não se limitam a permanecer no material a reter água.

O biochar é rico em sílica, que pode reagir com compostos gerados durante a cura do cimento e formar uma quantidade adicional de silicatos de cálcio, substâncias que contribuem para a resistência do betão.

Por outras palavras, tem comportamento pozolânico - a mesma classe ampla de reações químicas explorada de forma célebre no betão romano antigo, mas, neste caso, com fezes humanas em vez do material vulcânico utilizado pelos romanos.

Por fim, as partículas finas de biochar podem preencher espaços vazios no betão e melhorar a forma como os seus ingredientes se acomodam e se ligam entre si.

Os investigadores conseguiram observar este resultado ao microscópio. O betão com 5 por cento de biochar apresentava uma estrutura mais densa e com ligações mais firmes do que o betão convencional.

No entanto, com 15 por cento, essa estrutura começou a degradar-se, surgindo mais poros, fissuras e zonas com ligações deficientes.

Não vamos, contudo, começar amanhã a construir arranha-céus com betão de fezes. Os investigadores salientam que é necessário realizar mais trabalho para avaliar o seu desempenho em condições reais, incluindo ciclos de congelação-descongelação, salinidade e temperaturas extremas.

Há também a questão da acumulação de metais pesados, um problema conhecido das lamas de esgoto. Confinar metais pesados potencialmente nocivos no betão poderá ser uma vantagem, mas ainda não se sabe com que eficácia permanecerão retidos ou se poderão ser libertados gradualmente ao longo do tempo.

O estudo também não avaliou o impacto deste método nas emissões de carbono.

Ainda assim, substituir mesmo que seja apenas uma fração do cimento do betão por um material criado a partir de um fluxo de resíduos que os humanos produzem em quantidades inesgotáveis poderá resolver dois problemas em simultâneo.

E, se há algo que podemos esperar que os seres humanos produzam em quantidades constantemente elevadas, são certamente fezes.

A investigação foi aceite para publicação na Scientific Reports.

Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, informe-nos, por favor.