Hay muchas cosas que la persona promedio no sabe sobre el concreto. Por ejemplo, es poroso es el material más utilizado en el mundo después del agua; y, quizás lo más fundamental, no es cemento.

Aunque muchos usan "cemento" y "hormigón" indistintamente, en realidad se refieren a dos materiales diferentes, pero relacionados:el hormigón es un compuesto hecho de varios materiales, uno de los cuales es cemento.

La producción de cemento comienza con piedra caliza, una roca sedimentaria. Una vez extraído, se mezcla con una fuente de sílice, tales como subproductos industriales escoria o cenizas volantes, y se quema en un horno a las 2, 700 grados Fahrenheit. Lo que sale del horno se llama clinker. Las plantas de cemento muelen el clínker hasta obtener un polvo extremadamente fino y lo mezclan con algunos aditivos. El resultado final es cemento.

"El cemento se lleva luego a los lugares donde se mezcla con agua, donde se convierte en pasta de cemento, "explica el profesor Franz-Josef Ulm, director de la facultad del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Si agrega arena a esa pasta, se convierte en mortero. Y si agrega al mortero agregados grandes, piedras de un diámetro de hasta una pulgada, se convierte en concreto".

Lo que hace que el concreto sea tan fuerte es la reacción química que ocurre cuando el cemento y el agua se mezclan, un proceso conocido como hidratación.

"La hidratación ocurre cuando el cemento y el agua reaccionan, "dice Ulm." Durante la hidratación, el clinker se disuelve en calcio y se recombina con agua y sílice para formar hidratos de sílice cálcica ".

Hidratos de sílice cálcica, o CSH, son la clave de la solidez del cemento. A medida que se forman ellos combinan, desarrollando uniones estrechas que le dan fuerza al material. Estas conexiones tienen un subproducto sorprendente:hacen que el cemento sea increíblemente poroso.

Dentro de los espacios entre los enlaces de CSH, se desarrollan pequeños poros, en la escala de 3 nanómetros, o alrededor de 8 millonésimas de pulgada. Estos se conocen como poros de gel. En la parte superior de esta, cualquier agua que no haya reaccionado para formar CSH durante el proceso de hidratación permanece en el cemento, creando otro conjunto de poros más grandes, llamados poros capilares.

Según una investigación realizada por CSHub, el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas, y la Universidad de Aix-Marsella, La pasta de cemento es tan porosa que el 96 por ciento de sus poros están conectados.

A pesar de esta porosidad, el cemento posee una excelente resistencia y propiedades aglutinantes. Por supuesto, al disminuir esta porosidad, se puede crear un producto final más denso e incluso más fuerte.

A partir de la década de 1980, Los ingenieros diseñaron un material, concreto de alto rendimiento (HPC), que hizo precisamente eso.

"El hormigón de alto rendimiento se desarrolló en la década de 1980 cuando la gente se dio cuenta de que los poros capilares se pueden reducir en parte reduciendo la relación agua-cemento, ", dice Ulm." Con la adición de ciertos ingredientes también, esto creó más CSH y redujo el agua que quedaba después de la hidratación. Esencialmente, redujo los poros más grandes llenos de agua y aumentó la resistencia del material ".

Por supuesto, notas Ulm, reducir la relación agua-cemento para HPC también requiere más cemento. Y dependiendo de cómo se produzca ese cemento, esto puede aumentar el impacto ambiental del material. Esto se debe en parte a que cuando se cuece carbonato de calcio en un horno para producir cemento convencional, se produce una reacción química que produce dióxido de carbono (CO ₂ ).

Otra fuente de CO del cemento ₂ las emisiones provienen del calentamiento de los hornos de cemento. Este calentamiento debe realizarse con combustibles fósiles debido a las temperaturas extremadamente altas requeridas en el horno (2, 700 F). Se está estudiando la electrificación de hornos, pero actualmente no es técnica ni económicamente viable.

Dado que el hormigón es el material más popular en el mundo y el cemento es el aglutinante principal utilizado en el hormigón, estas dos fuentes de CO ₂ son la principal razón por la que el cemento aporta alrededor del 8 por ciento de las emisiones globales.

Jeremy Gregory, director ejecutivo de CSHub, sin embargo, ve la escala del hormigón como una oportunidad para mitigar el cambio climático.

"El hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo. Y debido a que usamos tanto, cualquier reducción que hagamos en su huella tendrá un gran impacto en las emisiones globales ".

Muchas de las tecnologías necesarias para reducir la huella del hormigón existen en la actualidad, él nota.

"Cuando se trata de reducir las emisiones de cemento, podemos aumentar la eficiencia de los hornos de cemento aumentando nuestro uso de materiales de desecho como fuentes de energía en lugar de combustibles fósiles, "explica Gregory.

"También podemos utilizar cementos mixtos que tengan menos clinker, como cemento de piedra caliza Portland, que mezcla piedra caliza sin calentar en el paso de molienda final de la producción de cemento. Lo último que podemos hacer es capturar y almacenar o utilizar el carbono emitido durante la producción de cemento ".

Captura de carbon, utilización, y el almacenamiento tiene un potencial significativo para reducir el impacto ambiental del cemento y el concreto al tiempo que crea grandes oportunidades de mercado. Según el Centro de Soluciones Climáticas y Energéticas, La utilización del carbono en el hormigón tendrá un mercado mundial de 400.000 millones de dólares para 2030. Varias empresas, como Solidia Cement y Carbon Cure, se están adelantando a la curva al diseñar cemento y hormigón que utilizan y, en consecuencia, secuestran CO ₂ durante el proceso de producción.

"¿Qué está claro? aunque, "dice Gregory, "Es que las mezclas de hormigón con bajo contenido de carbono tendrán que utilizar muchas de estas estrategias. Esto significa que debemos repensar cómo diseñamos nuestras mezclas de hormigón".

En la actualidad, las especificaciones exactas de las mezclas de hormigón se prescriben con anticipación. Si bien esto reduce el riesgo para los desarrolladores, también dificulta las mezclas innovadoras que reducen las emisiones.

Como solución Gregory aboga por especificar el rendimiento de una mezcla en lugar de sus ingredientes.

"Muchos requisitos prescriptivos limitan la capacidad de mejorar el impacto ambiental del concreto, como los límites en la proporción de agua a cemento y el uso de materiales de desecho en la mezcla, ", explica." Cambiar a especificaciones basadas en el rendimiento es una técnica clave para fomentar una mayor innovación y cumplir los objetivos de impacto medioambiental y de costes ".

Según Gregory, esto requiere un cambio de cultura. Para realizar la transición a especificaciones basadas en el rendimiento, numerosas partes interesadas, como arquitectos, ingenieros y especificadores, tendrá que colaborar para diseñar la combinación óptima para su proyecto en lugar de depender de una combinación prediseñada.

Para alentar a otros impulsores del hormigón bajo en carbono, dice Gregory, "[también] necesitamos abordar las barreras de riesgo y costo. Podemos mitigar el riesgo pidiendo a los productores que informen sobre las huellas ambientales de sus productos y habilitando especificaciones basadas en el desempeño. Para abordar el costo, necesitamos apoyar el desarrollo y despliegue de tecnologías de captura de carbono y bajas emisiones de carbono ".

Si bien las innovaciones pueden reducir las emisiones iniciales del concreto, el hormigón también puede reducir las emisiones de otras formas.

Una forma es mediante su uso. La aplicación de hormigón en edificios e infraestructura puede permitir menores emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo del tiempo. Edificios de hormigón, por ejemplo, puede tener una alta eficiencia energética, mientras que las propiedades superficiales y estructurales de los pavimentos de hormigón permiten que los automóviles consuman menos combustible.

El hormigón también puede reducir parte de su impacto inicial a través de la exposición al aire.

"Algo único sobre el hormigón es que absorbe carbono durante su vida durante un proceso químico natural llamado carbonatación, "dice Gregory.

La carbonatación ocurre gradualmente en el hormigón como CO ₂ en el aire reacciona con el cemento para formar agua y carbonato de calcio. Un artículo de 2016 en Nature Geoscience encontró que desde 1930, La carbonatación en el hormigón ha compensado el 43 por ciento de las emisiones de la transformación química del carbonato de calcio en clínker durante la producción de cemento.

Carbonatación aunque, tiene un inconveniente. Puede provocar la corrosión de las barras de acero que a menudo se colocan dentro del hormigón. Avanzando, Los ingenieros pueden buscar maximizar la absorción de carbono del proceso de carbonatación y, al mismo tiempo, minimizar los problemas de durabilidad que puede plantear.

Carbonatación así como tecnologías como la captura de carbono, utilización, y almacenamiento y mezclas mejoradas, todos contribuirán a un hormigón con menos carbono. Pero hacer esto posible requerirá la cooperación de la academia, industria, y el gobierno, dice Gregory.

Él ve esto como una oportunidad.

"El cambio no tiene por qué suceder solo con la tecnología, ", señala." También puede suceder por la forma en que trabajamos juntos hacia objetivos comunes ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.