El hallazgo de nuevas características en la estructura a nanoescala del cemento podría desembocar en procesos de fabricación de este material más eficientes desde el punto de vista ambiental, sugiere una investigación desarrollada en el Lawrence Berkeley National Laboratory de Estados Unidos. La clave estaría en las propiedades de la tobermorita, uno de los componentes básicos del cemento.
Los descubrimientos concretados por el equipo de investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory han sido difundidos a través de una nota de prensa del mencionado centro, y de un artículo publicado recientemente por el medio especializado Cement and Concrete Research.
En la búsqueda de nuevas formas de producir y utilizar el cemento, reduciendo las emisiones de carbono asociadas a su fabricación, se han revelado propiedades desconocidas de la tobermorita, componente clave en el material. Una de las herramientas ha sido el uso de técnicas de difracción de rayos X para investigar la estructura cristalina de la tobermorita.
Paulo Monteiro, profesor de ingeniería civil y ambiental en la University of California at Berkeley, ha sido uno de los responsables de la investigación. Monteiro señala que la tobermorita fue sometida a condiciones de presión equivalentes a las que pueden hallarse a 100 kilómetros de profundidad de la superficie terrestre.
Gran cantidad de emisiones contaminantes
La tobermorita es un mineral que funciona como el componente más importante del cemento Portland que, con un consumo superior a las 17 millones de toneladas por año, es el segundo material más empleado en el planeta, después del agua. Resulta esencial para desarrollar concreto resistente y versátil, y gracias a que sus materias primas se encuentran fácilmente en distintos lugares del mundo es relativamente barato, con un coste de alrededor de 100 dólares por tonelada.
Sin embargo, su proceso de fabricación libera grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera, y representa más del cinco por ciento de las emisiones totales de CO2 generadas por la actividad humana. A pesar de esto, sigue siendo el material de construcción más importante de todo el planeta.
Para incrementar la eficiencia ambiental del cemento, los investigadores se centraron en lograr una comprensión completa de su estructura a escala nanométrica. Mediante los patrones de difracción obtenidos a través del envío de un intenso haz de rayos X a una muestra de tobermorita, fue posible apreciar como cambia su estructura ante el aumento de la presión.
Los resultados dieron lugar a nuevos conocimientos sobre los hidratos de silicato de calcio (C-S-H), responsables de la resistencia y durabilidad de los hormigones elaborados con cemento Portland. Se trata de un aglutinante fundamental para la fuerza y mantenimiento de la pasta de cemento.
Nuevos enfoques para una mayor eficiencia ambiental
Aunque otros grupos de especialistas han desarrollado sofisticados modelos informáticos para comprender la estructura cristalina y el comportamiento mecánico de los hidratos de silicato de calcio, los investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory han sido los primeros en validar los modelos diseñados con los resultados experimentales.
Los estudios se realizaron con la colaboración del California High-Pressure Science Observatory (Calipso), un centro apoyado por la National Science Foundation de Estados Unidos. El mismo dispone de la tecnología necesaria para reproducir las condiciones de presión de la tobermorita a grandes profundidades, obteniendo así los patrones de difracción necesarios para determinar la estructura del mineral a nanoescala.
A pesar de los numerosos estudios y la vasta literatura científica existente sobre los cementos y sus componentes, la estructura a escala atómica de los hidratos de silicato de calcio (entre ellos la tobermorita) es todavía poco conocida, debido a su alta complejidad. Los resultados de esta investigación podrían significar un importante avance al respecto.
¿Qué se ha sacado en limpio para poder avanzar en una producción más ecológica del cemento?. Por ejemplo, la existencia de capas intermedias de hidratos de silicato de calcio que se generan al someter a los componentes a determinadas presiones. Esto abriría un importante número de posibilidades para mejorar el rendimiento del cemento.
Por otro lado, se podrían introducir polímeros especiales en las capas intermedias de hidratos de silicato de calcio, para dar forma a su comportamiento y propiciar una mayor eficiencia ambiental. Según el equipo de especialistas, ésta será sin duda un área central de las investigaciones futuras del grupo.