Mejoras de diseño
Existe un creciente interés en reducir las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con el hormigón, tanto en el sector académico como en el industrial, especialmente con la posibilidad de una futura introducción de un impuesto sobre el carbono. Se han sugerido varios enfoques para reducir las emisiones.
Una razón por la que la fabricación de cemento produce tantas emisiones es porque la mezcla precursora del cemento debe calentarse a temperaturas muy elevadas para que se forme el clínker. En esto tiene una gran responsabilidad la alita (CaSiO), un mineral presente en el hormigón que se cura —es decir, que alcanza un alto grado de dureza; ver reticulación "Reticulación (química)") y reacción de hidratación, no se está hablando de curar una enfermedad— en cuestión de horas después de su vertido (vertido del hormigón en un encofrado) y, por lo tanto, es responsable de gran parte de su resistencia inicial. Sin embargo, la alita también debe calentarse a 1 500 °C en el proceso de formación de clínker.
Algunas investigaciones sugieren que la alita puede ser reemplazada por un mineral diferente, como la belita (CaSiO). La belita también es un mineral ya utilizado en el hormigón. Tiene una temperatura de tostado de 1 200 °C, significativamente inferior a la de la alita. Además, la belita es más fuerte una vez que el hormigón se cura. Sin embargo, la belita tarda días o meses en fraguar completamente, lo que hace que el hormigón se debilite durante más tiempo. La investigación actual se centra en encontrar posibles aditivos, como el magnesio, que podrían acelerar el proceso de curado. También debe considerarse que la belita requiere más energía para molerla, lo que puede hacer que el impacto de todo su ciclo de vida sea similar o incluso mayor que el de la alita.[20].
Otro enfoque ha sido la sustitución parcial del clínker convencional por alternativas como cenizas volantes, cenizas sólidas y escorias, todos ellos subproductos de otras industrias que de otro modo acabarían en vertederos "Vertedero (basura)"). Las cenizas volantes y las sólidas proceden de las centrales termoeléctricas de carbón, mientras que la escoria es un residuo de los altos hornos de la industria siderúrgica. Estos materiales están ganando popularidad lentamente como aditivos, especialmente porque pueden aumentar potencialmente la resistencia, disminuir la densidad y prolongar la durabilidad del hormigón.[21].
El principal obstáculo para mezclar en el hormigón más cenizas volantes y escorias puede ser el riesgo de construir con tecnología nueva que no haya sido expuesta a pruebas de campo prolongadas. Hasta que se introduzca un impuesto al carbono, las empresas no están dispuestas a correr el riesgo de utilizar nuevas recetas de mezclas de hormigón, aunque reduzcan las emisiones. Sin embargo, existen algunos ejemplos de hormigón “verde” y su implementación. Un ejemplo es una empresa de hormigón llamada Ceratech que ha comenzado a fabricar hormigón con un 95 % de cenizas volantes y un 5 % de aditivos líquidos.[20] Otro es el puente I-35W Saint Anthony Falls, que se construyó con una novedosa mezcla de hormigón que incluía diferentes composiciones de cemento Portland, cenizas volantes y escoria según la parte del puente y los requisitos de propiedades del material.[22].
Varias empresas emergentes están desarrollando y probando métodos alternativos de producción de cemento. Por ejemplo Sublime de Somerville (Massachusetts) "Somerville (Massachusetts)"), utiliza un proceso electroquímico sin horno, y Fortera captura dióxido de carbono de plantas convencionales para fabricar un nuevo tipo de cemento.[23] Blue Planet, de Los Gatos (California) "Los Gatos (California)"), captura el dióxido de carbono emitido para producir con él hormigón sintético. CarbonCure Technologies de Halifax, Nueva Escocia, ha modernizado sus sistemas de mineralización de carbono en cientos de plantas de hormigón en todo el mundo, inyectando y almacenando permanentemente dióxido de carbono en el hormigón mientras se mezcla.[24].
Además, la producción de hormigón requiere grandes cantidades de agua, y la producción mundial representa casi una décima parte del uso industrial de agua en todo el mundo.[25] Esto equivale al 1,7 % de la extracción total de agua mundial. Un estudio publicado en Nature Sustainability en 2018 predice que la producción de hormigón aumentará en el futuro la presión sobre los recursos hídricos en regiones susceptibles a la sequía, y escribe: «En 2050, el 75 % de la demanda de agua para la producción de hormigón probablemente se producirá en regiones que se espera que experimenten estrés hídrico».[26].
La carbonatación es la formación de carbonatos. En el caso del cemento y el hormigón se forma carbonato de calcio (CaCO) mediante una reacción química (carbonatación) que, si se utiliza en el hormigón, puede secuestrar dióxido de carbono.[27] La velocidad de carbonatación depende principalmente de la porosidad del hormigón y de su contenido de agua. La carbonatación en los poros del hormigón ocurre solo cuando la humedad del aire (humedad relativa, HR) se encuentra entre el 40 y el 90 %: cuando la HR es superior al 90 %, el dióxido de carbono no puede entrar en los poros del hormigón, y cuando es inferior al 40 %, no puede disolverse en agua.[28].
Existen 2 métodos principales para carbonatar el hormigón: carbonatación por meteorización y carbonatación temprana.[29].
La carbonatación por meteorización se produce en el hormigón cuando los compuestos de calcio reaccionan con el dióxido de carbono () de la atmósfera y el agua () en los poros del hormigón. La reacción es la siguiente. En primer lugar, a través de la meteorización, el CO reacciona con el agua en los poros del hormigón para formar ácido carbónico:.
Seguidamente el ácido carbónico reacciona con el hidróxido de calcio para dar carbonato de calcio y agua:.
Después de que el hidróxido de calcio (Ca(OH)) se ha carbonatado lo suficiente, el componente principal del cemento, el silicato cálcico hidratado (CSH por sus siglas en inglés, que no son una fórmula química), se puede descalcificar, es decir, hacer que libere óxido de calcio (), que a su vez se puede carbonatar:.
La carbonatación temprana ocurre cuando se introduce CO en las primeras etapas del hormigón premezclado, fresco o durante el curado inicial, lo que puede acontecer de forma natural exponiendo el hormigón al aire, o acelerarse artificialmente aumentando la toma de CO por parte del hormigón.[29].
El dióxido de carbono gaseoso se convierte en carbonatos sólidos y puede quedar capturado permanentemente en el hormigón. Las reacciones del CO y el silicato cálcico hidratado (CSH) en el cemento se describieron en 1974 en la notación química del cemento (CCN por sus siglas en inglés) como:[30].
Una empresa canadiense patentó y comercializó una novedosa tecnología que utiliza la carbonatación temprana para secuestrar CO. Esto se logra inyectando directamente dióxido de carbono líquido procedente de grandes emisores (por ejemplo, centrales térmicas) en la etapa de mezcla húmeda del hormigón. El CO se mineraliza, quedando así retenido este compuesto de efecto invernadero en infraestructuras de hormigón durante largos períodos de tiempo.
En un estudio publicado en el Journal of Cleaner Production (Revista para una producción más limpia), los autores crearon un modelo que muestra que el CO así secuestrado mejora la resistencia a la compresión del hormigón a la vez que reduce las emisiones, lo que permite una reducción de la carga de cemento en el hormigón y, al mismo tiempo, una «reducción del 4,6 % en la huella de carbono».[31].
Otro método propuesto para capturar emisiones de gases de efecto invernadero es absorber durante el proceso de curado mediante el uso de un aditivo — concretamente un silicato dicálcico en fase 𝛾. El uso de cenizas volantes u otro sustituto adecuado podría, teóricamente, reducir las emisiones de por debajo de cero (emisiones negativas), en comparación con las emisiones del hormigón de cemento Portland (400 kg/ ). El método más eficaz para producir este hormigón de emisiones negativas sería utilizar los gases de escape de una central eléctrica, donde una cámara aislada podría controlar la temperatura y la humedad.[32].
En agosto de 2019 se anunció un cemento con reducción que «reduce la huella de carbono general del hormigón prefabricado en un 70 %».[33] La base de este cemento es principalmente wollastonita () y rankinita") (), a diferencia del cemento Portland tradicional, a base de alita ().
El proceso patentado de fabricación de hormigón con emisiones reducidas comienza con la unión de partículas a través de la sinterización en fase líquida, también denominada "densificación reactiva hidrotermal en fase líquida" (rHLPD por sus siglas en inglés).[34] Una solución de agua y CO penetra en las partículas, reaccionando en condiciones ambientales para formar un enlace que crea cemento de silicato de calcio no hidráulico, con cal "Cal (material)") reducida (CSC). La diferencia entre el hormigón tradicional con cemento Portland y estos hormigones de silicato de calcio carbonatado (CSC-C) radica en la reacción del proceso de curado final entre una solución agua- CO y una familia de silicatos de calcio. Según un estudio de un cemento de emisiones reducidas, llamado Solidia, «el curado del CSC-C es una reacción ligeramente exotérmica en la que los silicatos de calcio con bajo contenido de cal del CSC reaccionan con en presencia de agua para producir calcita (CaCO) y sílice "Óxido de silicio(IV)") () de la siguiente manera:.
Los métodos de carbonatación temprana han ganado reconocimiento por sus importantes capacidades de secuestro de carbono. Sin embargo, algunos autores han argumentado que el efecto del curado por carbonatación temprana posteriormente puede sucumbir a la carbonatación por meteorización. Por ejemplo, un artículo de 2020 afirma: «Los resultados experimentales sugieren que los hormigones carbonatados tempranamente con relaciones agua/cemento elevadas (>0,65) tienen más probabilidades de verse afectados por la carbonatación por meteorización».[35] El artículo advierte que esto puede debilitar la resistencia del hormigón durante su vida útil.
Otro aspecto a considerar en el hormigón de carbono es la descamación de la superficie debido a las condiciones climáticas frías y a la exposición a sales anticongelantes y a ciclos de congelación y descongelación (meteorización por heladas). El hormigón producido mediante curado por carbonatación también muestra un rendimiento superior cuando se somete a degradaciones físicas, por ejemplo, daños por congelación y descongelación, en particular debido a un efecto de densificación de poros habilitado por la precipitación de productos de carbonatación.[36].
La empresa italiana Italcementi diseñó un tipo de cemento que supuestamente reduce la contaminación del aire al descomponer los contaminantes que entran en contacto con el hormigón producido con este cemento, mediante dióxido de titanio "Óxido de titanio(IV)"), que absorbe la luz ultravioleta y propicia con ello reacciones que descomponen contaminantes. Sin embargo, algunos expertos medioambientales siguen siendo escépticos y se preguntan si este material especial puede "comerse" los suficientes contaminantes como para resultar económicamente viable. La Iglesia del Jubileo en Roma está construida con este tipo de hormigón.[37].
El dióxido de titanio "Óxido de titanio(IV)") (TiO), un material semiconductor que ha demostrado exhibir un comportamiento fotocatalítico, se ha utilizado para eliminar óxidos de nitrógeno (denominados NO y también NO) de la atmósfera. Hay 6 óxidos de nitrógeno, cada uno con varios nombres. Por ejemplo, el NO se llama monóxido de dinitrógeno, óxido de nitrógeno (I), óxido nitroso y anhídrido hiponitroso. El óxido nítrico "Óxido de nitrógeno(II)") y el dióxido de nitrógeno son gases que, si se liberan a la atmósfera, contribuyen a la formación de lluvia ácida y esmog (castellanización del inglés smog admitida[38] por la RAE). Dado que la formación de NO sólo ocurre a altas temperaturas, los óxidos de nitrógeno se producen típicamente como subproducto de la combustión de hidrocarburos, por ejemplo en los motores de vehículos.
Además de contribuir a la contaminación de las ciudades, se ha demostrado que los NO dañan la salud y el medio ambiente de múltiples formas, incluyendo el desencadenamiento de dificultad respiratoria (disnea), la reacción con otras sustancias químicas atmosféricas para formar productos nocivos como ozono, nitroarenos")[39] y radicales nitrato, y la contribución al efecto invernadero. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha recomendado una concentración máxima de NO de 40 μg/ m (microgramos por metro cúbico de aire).[40] Una de las vías que se han propuesto para disminuir las concentraciones de NO, especialmente en entornos urbanos, es utilizar TiO fotocatalítico mezclado con hormigón para oxidar NO y NO y formar nitrato. En presencia de luz, el TiO genera electrones y huecos que permiten que el NO se oxide a NO, y luego el NO a HNO (ácido nítrico) a través de un ataque de de radicales hidroxilo. Las reacciones de adsorción de moléculas se detallan a continuación:.
La generación de huecos y electrones mediante la activación del TiO se esquematiza del modo siguiente:.
Atrapamiento de electrones/huecos:.
Ataque de radicales hidroxilo:.
Recombinación de electrones y huecos:.
Otra ruta para la oxidación del nitrógeno utiliza la radiación UV para formar NO.[41].
Se ha propuesto el uso de células solares sensibilizadas con colorante integradas en el hormigón como método para reducir la huella de carbono de los edificios. El uso de estas células solares permite la generación de energía por la propia superficie exterior de la edificación, que si se combinara con baterías, proporcionaría energía constante día y noche (dependiendo de la cantidad de células solares, el grado de insolación y el consumo energético). La capa superior del hormigón sería una fina capa de células solares sensibilizadas con colorante. Estas células son particularmente atractivas debido a su facilidad de producción en masa, ya sea mediante impresión en rollo o pintura, y una eficiencia razonablemente alta al transformar en electricidad el 10 %[42] de la energía solar que incide sobre ellas. Un ejemplo de la comercialización de este concepto es la empresa alemana Discrete, que produce un hormigón con estas células. Su proceso utiliza un método de recubrimiento por pulverización para aplicar tintes orgánicos que generan electricidad sobre el hormigón.[43].
El almacenamiento de energía se ha convertido en fundamental para muchos métodos de generación de energía renovable como la energía solar o eólica, los cuales son productores de energía intermitentes (generan electricidad cuando brilla el sol o sopla el viento) que requieren almacenamiento para poder aprovecharse de un modo constante.
En la actualidad, el 96 % del almacenamiento de energía del mundo proviene de centrales hidroeléctricas reversibles (también llamadas "centrales de bombeo") que, cuando "sobra" electricidad renovable, la utilizan para hacer subir agua a una presa elevada y luego, cuando falta, dejan caer el agua para mover turbinas hidráulicas. Sin embargo, las centrales de bombeo requieren geografías específicas que pueden ser difíciles de encontrar, especialmente en países llanos. Un concepto similar que utiliza cemento en lugar de agua ha sido implementado por Energy Vault (literalmenteː cofre de energía), una startup suiza. Crearon una instalación que utiliza una grúa eléctrica rodeada de pilas de bloques de hormigón de 35 toneladas, que pueden producirse a partir de productos de desecho, para almacenar energía. Cuando "sobra" electricidad, se emplea para levantar los bloques, y cuando falta, se permite que los bloques caigan lentamente, haciendo girar una dinamo (generador eléctrico) "Dinamo (generador eléctrico)"), que inyecta energía en la red eléctrica. La instalación tendría una capacidad de almacenamiento de entre 25 y 80 megavatios hora MWh.[44].
Para el hormigón se han propuesto otras mejoras con impacto medioambiental no directamente relacionadas con las emisiones. Recientemente se han realizado muchas investigaciones sobre hormigones “inteligentes”, que utilizan señales eléctricas y mecánicas para responder a cambios en las condiciones de carga. Una variedad emplea un refuerzo de fibra de carbono que proporciona una respuesta eléctrica, la cual puede utilizarse para medir la tensión a la que está sometida la construcción. Esto permite controlar la integridad estructural del hormigón sin instalar sensores.[45].
La industria de construcción y mantenimiento de carreteras consume toneladas de hormigón de alta intensidad de emisión cada día para el mantenimiento de las carreteras y la infraestructura urbana. A medida que las poblaciones crecen, esta infraestructura se vuelve cada vez más vulnerable al impacto de los vehículos, lo que crea un ciclo cada vez mayor de daños, desechos de las infraestructuras dañadas por el tráfico y un consumo cada vez mayor de hormigón para reparaciones. Un avance importante en la industria de infraestructura implica el uso de residuos de petróleo reciclados para proteger el hormigón contra daños y permitir que la infraestructura se vuelva dinámica, capaz de mantenerse y actualizarse fácilmente sin alterar los cimientos existentes. Esta innovación teóricamente preserva los cimientos durante toda la vida útil de una edificación.
Otro ámbito de investigación del hormigón es el denominado hormigón “sin agua”") para su uso en la colonización extraplanetaria. Lo más común es que estos hormigones utilicen azufre como aglutinante no reactivo, lo que permite la construcción de estructuras de hormigón en entornos con poca agua o ninguna. Estos hormigones son, en muchos aspectos, indistinguibles del hormigón hidráulico normal: tienen densidades similares, pueden armarse (hormigón armado) y, de hecho, ganan resistencia más rápidamente que el hormigón normal.[46] Su aplicación aún está por explorar en la Tierra, pero como la producción de hormigón representa hasta 2 tercios del consumo total de energía de algunos países en desarrollo,[15] vale la pena considerar cualquier mejora.