El hormigón se ha convertido en nuestro material de construcción preferido para innumerables estructuras como puentes, torres y presas.
por Sandrine Ceurstemont, Horizon: Revista de investigación e innovación de la UE
Pero también tiene una enorme huella ambiental debido principalmente a las emisiones de dióxido de carbono de la producción de cemento, uno de sus componentes principales. Los investigadores ahora están experimentando con tubérculos y plástico reciclado en concreto para ver si esto puede hacerlo más fuerte, y más sostenible, e incluso encender farolas o sensores de contaminación del aire.
Después del agua, el hormigón es la sustancia más utilizada en el mundo. La producción de cemento, un componente clave del hormigón, es responsable de aproximadamente el 8% de las emisiones globales de dióxido de carbono (CO 2 ) . Implica quemar una gran cantidad de minerales, conchas, esquisto y otros componentes en hornos calentados a unos 1.400 ° C, donde los combustibles fósiles se utilizan típicamente como fuente de energía, produciendo así emisiones de CO 2 .
Además, la producción de clinker (grumos pequeños y sólidos que son un producto intermedio del cemento) es el resultado de una reacción química a alta temperatura que también consume mucha energía.
«La industria del cemento está trabajando para descarbonizar y reducir la huella de los combustibles fósiles», dijo el Dr. Nikola Tošić, investigador de la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, España. «Pero la parte química de las emisiones de dióxido de carbono es inevitable a menos que creemos (completamente) diferentes tipos de cemento».
Cuando el cemento se mezcla con agua, forma una pasta que une agregados como arena y piedra triturada, lo que permite que el concreto se endurezca y le confiera resistencia y estructura.
Hacer cemento más fuerte para que se necesite menos es una estrategia para reducir su impacto ambiental. El profesor Mohamed Saafi de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido y sus colegas tienen como objetivo lograr este objetivo como parte del proyecto B-SMART .
El cemento debe combinarse con agua para que se adhiera a la arena y la roca triturada y los una. Sin embargo, no todas las partículas de cemento se hidratan durante el proceso. «La mayoría de ellos permanecen esencialmente sentados allí sin hacer nada, lo cual es un desperdicio», dijo el profesor Saafi. «Si podemos amplificar este mecanismo de hidratación, su fuerza aumentará significativamente y, por lo tanto, podremos usar menos cemento».
Verduras de raíz
El profesor Saafi y su equipo recurrieron a los tubérculos en busca de ayuda. Investigaron si el material de desecho de las zanahorias procesadas para hacer comida para bebés o las sobras de la extracción del azúcar de remolacha podrían agregarse al cemento para fortalecerlo. Mediante el uso de simulaciones por computadora, pudieron ver cómo las láminas súper delgadas hechas de estos vegetales y arrojadas a la pasta de cemento interactuarían con el cemento, observando su efecto tanto en la hidratación del cemento como en sus propiedades mecánicas resultantes. Luego realizaron experimentos en el laboratorio para intentar validar los resultados de sus simulaciones.
Los investigadores encontraron que la incorporación de láminas hechas de desechos vegetales podía mejorar la hidratación del cemento. Las láminas actuaron como reservorios que permitieron que el agua llegara a más partículas de cemento y así mejorar su capacidad de unión. «Al mismo tiempo, una vez que termina la hidratación, algunas de estas nanoláminas de zanahoria permanecen en el cemento y hacen que su estructura sea muy fuerte», dijo el profesor Saafi. «No hemos visto esto antes y es realmente un descubrimiento asombroso».
Se descubrió que agregar tubérculos al cemento también tiene beneficios adicionales. Aplicar presión sobre una zanahoria, por ejemplo, produce energía eléctrica que podría alimentar una pequeña luz LED o dispositivos electrónicos. Cuando se agregaron nanohojas de zanahoria al cemento, el profesor Saafi y sus colegas descubrieron que podían hacer concreto que produzca electricidad. Si se usa para construir un puente, por ejemplo, se podría generar electricidad cuando los autos pasan sobre él o debido a las vibraciones o el movimiento causado por los peatones. «Podemos utilizar esta electricidad del hormigón para alimentar LED o farolas», dijo el profesor Saafi. «También podría alimentar sensores para monitorear la contaminación del aire».
La electricidad producida por el hormigón también podría dar una idea de la salud de una estructura. El voltaje generado cambiaría si hay grietas, por ejemplo. Por lo tanto, incorporar un dispositivo de monitoreo que rastrea la salida eléctrica en un edificio o puente podría ayudar a determinar cuándo algo anda mal y es necesario revisar una estructura, evitando así fallas catastróficas.
El equipo ahora está realizando pruebas de campo para ver si pueden construir estructuras con su cemento de zanahoria que tengan las mismas propiedades observadas en el laboratorio. También tienen como objetivo utilizar los procesos existentes al producir su hormigón modificado para ayudar a reducir los costos.
Si todo va bien, el equipo espera que su cemento vegetal pueda reducir la cantidad de cemento necesaria para construir una estructura en 10 kg por metro cúbico de hormigón. «Esperamos que en el futuro podamos optimizarlo un poco mejor y reducir aún más la cantidad de cemento (necesario)», dijo el profesor Saafi.
Ceniza voladora
Se están probando otros tipos de material de desecho para hacer un hormigón más sostenible. Los subproductos industriales como las cenizas volantes, un material fino en polvo que permanece después de que se quema el carbón, y la escoria de alto horno, los restos granulados de la producción de acero, podrían reemplazar parcialmente al cemento.
«Podemos reducir (la cantidad de) cemento entre un 30% y un 50% y agregar estos subproductos industriales (en su lugar)», dijo el Dr. Tošić, que está explorando este enfoque como parte de un proyecto llamado GREEN-FRC.
El equipo se centra en la producción de hormigón reforzado con fibra para su uso en entornos urbanos, por ejemplo, para hacer pavimentos y edificios. Experimentarán con diferentes mezclas de hormigón para encontrar aquellas que sean óptimas desde una perspectiva de sostenibilidad y donde las propiedades mecánicas no se vean comprometidas.
Inicialmente, se utilizarán modelos matemáticos para predecir las propiedades de sus hormigones más verdes en función de su composición, lo que será seguido por pruebas de laboratorio. «Esperamos que se comporten de manera diferente al concreto tradicional típico», dijo el Dr. Tošić.
También es interesante incorporar plástico al hormigón. Las fibras plásticas recicladas podrían eventualmente usarse para hacerlo más fuerte, lo que quizás permita una reducción de componentes insostenibles como el acero usado para reforzar el cemento. Desde que comenzó el proyecto a principios de 2020, el equipo ha estado incorporando diferentes cantidades y tipos de fibras plásticas de polipropileno en el concreto y probando cómo le va a largo plazo. El hormigón se deforma continuamente con el tiempo cuando se somete a una carga constante, por lo que quieren ver cómo se comporta cuando se altera su composición. «Necesitamos poder predecir esto», dijo el Dr. Tošić.
Pronto, el equipo también comenzará a analizar cómo se podrían usar ciertas arcillas para reemplazar parcialmente el cemento en el concreto. El cemento tiene una huella ambiental adicional que proviene de recursos naturales como arcillas y minerales necesarios para su fabricación. Pero usar arcilla cálcica caliza en su lugar podría ser una opción más sostenible, ya que es mucho más abundante que otros materiales naturales utilizados para hacer cemento tradicional, así como otras alternativas como los subproductos industriales .
El Dr. Tošić cree que sus hormigones más ecológicos se utilizarán inicialmente en pavimentos, revestimientos para túneles y paneles para fachadas de edificios, que requieren menos refuerzo que estructuras como los edificios. Algunas empresas de construcción ya se están interesando en el proyecto proporcionando materiales gratuitos para sus experimentos. «En el último año, notamos que las empresas de construcción están haciendo un cambio o un cambio en términos de pensamiento», dijo el Dr. Tošić. «Están viendo que la sostenibilidad es necesaria para ellos en el futuro, de lo contrario perderán un mercado».
