Biocarvão de café no betão: como reduzir a utilização de areia

As cidades preparam volumes enormes de café e utilizam ainda mais betão. Estes dois fluxos raramente se cruzam. Novos resultados laboratoriais indicam que deveriam fazê-lo: as borras de café usadas podem ser valorizadas como um ingrediente útil, reduzindo a pegada de um material reconhecidamente muito exigente em recursos.

Porque é que os resíduos de café respondem às necessidades do betão

As borras de café usadas (BCU) acumulam-se rapidamente em cafés, escritórios e habitações. Quando são depositadas em aterro, libertam metano, um gás com efeito de estufa cerca de 21 vezes mais potente do que o CO₂ ao longo de um século. Em paralelo, o setor da construção consome quantidades enormes de areia natural, cuja extração pressiona rios, zonas costeiras e ecossistemas locais. Uma solução segura que substitua parte da areia e, simultaneamente, trate resíduos orgânicos merece atenção.

No entanto, as BCU sem tratamento não se comportam bem com o cimento. Os seus compostos orgânicos libertam-se e perturbam as reações de hidratação. As partículas são leves, porosas e instáveis em condições alcalinas. A chave está em transformar as borras num material semelhante a um mineral, capaz de se ligar à pasta de cimento e de resistir à degradação.

A pirólise converte borras de café em biocarvão

Os investigadores recorreram à pirólise, um processo térmico com pouco oxigénio, para converter BCU em biocarvão. Este tratamento pelo calor estabiliza o carbono, elimina compostos orgânicos reativos e ajusta a porosidade. Os resultados obtidos a duas temperaturas, 350 °C e 500 °C, revelaram comportamentos muito distintos no betão.

O ponto ideal de baixa temperatura: 350 °C

O biocarvão produzido a 350 °C integrou-se bem na matriz de cimento. A sua rede de poros reteve água e libertou-a gradualmente durante a cura da mistura. Esta “cura interna” tornou a microestrutura mais compacta e reforçou a ligação à pasta de cimento. Com uma substituição de até 15% da areia por este biocarvão a 350 °C, as misturas igualaram ou superaram as amostras de controlo.

“Até 29.3% mais resistência à compressão aos 28 dias com 15% de substituição de areia por biocarvão de café produzido a 350 °C.”

O que muda aos 500 °C

A 500 °C, o biocarvão tornou-se mais frágil e surgiram microfissuras na matriz de cimento. Sob carga, as partículas mostraram menor capacidade de acomodação. O desempenho mecânico diminuiu, evidenciando uma janela de temperatura estreita na qual a conversão de café em betão funciona melhor.

Como a equipa analisou o material

• Ensaios físico-químicos: o biocarvão a 350 °C revelou maior compatibilidade com a pasta de cimento e uma estrutura porosa favorável à cura interna.
• Ensaios mecânicos: as misturas em que até 15% da areia foi substituída por biocarvão a 350 °C alcançaram, aos 28 dias, resistência igual ou superior à do betão de referência.
• Comportamento de hidratação: as BCU cruas libertaram compostos que atrasaram a hidratação, enquanto a pirólise moderada eliminou esse bloqueio às reações do cimento.

“As borras de café cruas retardam a hidratação do cimento; a pirólise a baixa temperatura neutraliza esse efeito e repõe taxas de reação saudáveis.”

O que isto representa para construtores e cidades

• Benefícios ambientais: menos metano proveniente de resíduos orgânicos e menor pressão sobre as fontes de areia natural.
• Oportunidades económicas: criação de um novo mercado de subprodutos para o biocarvão, com cadeias de fornecimento locais entre cafés e centrais de betão.
• Vantagens para a comunidade: emprego na recolha, secagem, pirólise, moagem e controlo de qualidade.

Para os produtores de betão pronto, a formulação nesta fase inicial parece simples: manter a pirólise perto dos 350 °C, optar por níveis moderados de substituição e tratar o biocarvão como um aditivo de desempenho, e não como uma carga milagrosa. O material atua como um fino leve e reativo, exigindo controlo da humidade e da granulometria.

Questões em aberto antes da expansão

• Durabilidade: são necessários dados de campo sobre a resistência de longo prazo a ciclos de gelo-degelo, penetração de cloretos, ataque por sulfatos e carbonatação.
• Permeabilidade e retração: a cura interna pode reduzir a retração por secagem, mas a conectividade dos poros tem de ser equilibrada para limitar a permeabilidade.
• Comportamento ao fogo: o biocarvão é rico em carbono; os ensaios devem confirmar o desempenho a temperaturas elevadas e o risco de lascamento explosivo.
• Normas: os regulamentos têm de definir como classificar o biocarvão de café entre os finos leves ou os materiais suplementares.
• Consistência do fornecimento: o teor de humidade, o tamanho das partículas, o teor de cinzas e os compostos orgânicos residuais variam consoante o tipo e a torra do café; a garantia da qualidade será determinante.

Um cenário aproximado à escala de uma cidade

Considere-se uma cidade com um milhão de habitantes que gera 3,000 a 6,000 toneladas de BCU por ano. Admitindo um rendimento conservador de 30% de biocarvão a 350 °C, obtêm-se 900 a 1,800 toneladas de material utilizável. Se um metro cúbico de betão incluir tipicamente cerca de 800 kg de areia, uma substituição de 15% corresponde a aproximadamente 120 kg de biocarvão por metro cúbico. Essa cidade poderia fornecer biocarvão suficiente para incorporar em cerca de 7,500 a 15,000 m³ de betão por ano. Passeios, ciclovias, pequenas pontes ou lajes de edifícios baixos poderiam absorver esse volume sem sobrecarregar a logística.

Estes valores são estimativas aproximadas. Os hábitos locais de consumo de café, as taxas de recolha de resíduos, a humidade durante o transporte e as perdas na moagem alteram os resultados. Ainda assim, a orientação é clara: fluxos urbanos regulares de resíduos podem satisfazer necessidades práticas da construção.

Notas práticas para os primeiros utilizadores

• Privilegie a pirólise a 350 °C, com baixo teor de oxigénio; valide o processo com TGA/FTIR para confirmar a remoção de compostos orgânicos.
• Seque e moa o material até obter uma curva granulométrica semelhante à da areia; elimine as partículas sobredimensionadas que possam atuar como defeitos.
• Pré-sature o biocarvão para tirar partido da cura interna e estabilizar a trabalhabilidade.
• Comece com uma substituição de 5–10% da areia; ensaie painéis antes de avançar para 15% ou mais.
• Combine-o com MCS comprovados - cinzas volantes, escória e argila calcinada - para refinar a estrutura porosa e equilibrar o ganho de resistência.
• Registe a humidade, a densidade e a absorção de cada lote para ajustar a necessidade de água e a dosagem de adjuvantes.

Aspetos relacionados a acompanhar

Outros finos derivados de biomassa, como a cinza de casca de arroz ou o biocarvão de serradura, podem interagir de forma diferente com o cimento. Alguns apresentam atividade pozolânica, ao passo que outros funcionam mais como agentes de cura interna. A combinação de vários finos provenientes de resíduos poderá permitir aos produtores ajustar propriedades específicas a aplicações concretas, desde blocos de pavimentação a blocos pré-fabricados.

A contabilização do carbono também é relevante. A conversão de BCU em biocarvão fixa uma parte do carbono biogénico numa matriz durável durante décadas. Este armazenamento pode ajudar os projetos a cumprir limites de contratação pública relativos ao carbono incorporado. Contudo, os protocolos de verificação terão de medir tanto o metano evitado como a estabilidade do carbono na microestrutura do betão.

Principais conclusões a reter

• A pirólise a baixa temperatura, cerca de 350 °C, transforma resíduos de café num biocarvão compatível com betão.
• Em ensaios laboratoriais, a substituição de até 15% da areia elevou a resistência à compressão aos 28 dias em quase um terço.
• A 500 °C, o desempenho diminui devido à fragilidade e à microfissuração.
• Os sinais ambientais, económicos e sociais apontam para um ciclo viável de economia circular, desde que os dados de durabilidade e as normas acompanhem a evolução.

Glossário rápido e próximos passos

Pirólise: tratamento térmico sem oxigénio que estabiliza resíduos ricos em carbono. Biocarvão: produto sólido, rico em carbono, resultante da pirólise, geralmente poroso e leve. Cura interna: água armazenada nos finos que é libertada lentamente durante a hidratação, reduzindo a autodessecação e a retração. Os projetos-piloto em campo devem agora comparar misturas em diferentes climas, testar sais de degelo e monitorizar pavimentos durante dois a três anos. Esses resultados darão aos municípios e empreiteiros a confiança necessária para incluir o biocarvão de café em especificações de concursos e regras locais de contratação pública verde.