Hormigón ecológico, mezclando de otra forma calcio y silicio

El hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo, y una de los principales contribuyentes al calentamiento global, ya que produce una décima parte de las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por la industria. Ahora, un nuevo estudio sugiere una manera de que esas emisiones puedan reducirse más de la mitad; y el resultado sería un material más fuerte y duradero.

Los resultados provienen del análisis molecular más detallado realizado hasta ahora de la compleja estructura del hormigón, que es una mezcla de arena, grava, agua y cemento. El cemento se fabrica mediante la cocción de material rico en calcio, por lo general piedra caliza, con un material rico en sílice -normalmente arcilla- a temperaturas de 1.500 grados centígrados, produciendo una masa dura llamada Esto se muele hasta obtener un polvo clínker o clinker Portland.

La descarbonatación de la piedra caliza, y el calentamiento del cemento, son los responsables de la mayor parte de la producción de gases de efecto invernadero del material.

El nuevo análisis sugiere que la reducción de la proporción de calcio y silicato no sólo reduciría las emisiones, sino que además produciría un hormigón mejor y más fuerte. Estos hallazgos se describen en la revista Nature Communications, en un artículo realizado por el investigador de MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, EE.UU.) Roland Pellenq, los profesores Krystyn Van Vliet, Franz-Josef Ulm, Sidney Yip, y Markus Buehler; y ocho co-autores del MIT y del CNRS (Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia) en Marsella.

"El cemento es el material más utilizado en el planeta", afirma Pellenq en la noticia de MIT News, que añade que su uso actual se estima en tres veces el del acero. "No hay otra solución para albergar a la humanidad de una manera duradera: se convierte el líquido en piedra, en 10 horas, con facilidad, a temperatura ambiente. Esa es la magia del cemento".

En los cementos convencionales, explica Pellenq, la ratio calcio/sílice oscila entre aproximadamente 1,2 y 2,2; el estándar aceptado es 1,7. Pero las estructuras moleculares resultantes nunca han sido comparadas en detalle. Pellenq y sus colegas construyeron una base de datos con todas estas formulaciones químicas, encontrando que la mezcla óptima no era la utilizada normalmente hoy en día, sino más bien una relación de aproximadamente 1,5.

A medida que la relación varía, dice, la estructura molecular del material endurecido progresa desde una estructura cristalina bien ordenada a una desordenada estructura vítrea. Los científicos del MIT observaron que la proporción de 1,5 partes de calcio por cada parte de sílice era "la ratio mágica", dice Pellenq, porque en ese punto el material puede lograr "dos veces la resistencia del cemento normal, en resistencia mecánica a la fractura, con cierto diseño a escala molecular".
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Hallazgos validados

Los hallazgos, añade Pellenq, "se validaron con una gran cantidad de datos experimentales." Dado que se estima que las emisiones relacionadas con la producción de hormigón representan del 5 al 10 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero industriales, dice, "cualquier reducción en el contenido de calcio en el mezcla de cemento tendrá un impacto en el CO2". De hecho, señala, la reducción de las emisiones de carbono podría ser hasta del 60 por ciento.

Además de la mejora general de la resistencia mecánica debida a que el material sería más vítreo y menos cristalino, Pellenq señala que no habría "tensiones residuales en el material, por lo que sería más resistente a la fractura."

Debido a su mejor resistencia a la tensión mecánica, Pellenq dice la nueva formulación podría ser de particular interés para las industrias del petróleo y gas, donde el cemento que cubre los pozos es crucial para prevenir las fugas y explosiones. "Un cemento más resistente sería para ellos algo que considerar, sin duda", asegura Pellenq.

El trabajo es la culminación de cinco años de investigación. Hasta ahora, el trabajo se ha mantenido en el nivel molecular de análisis. "A continuación, tenemos que asegurarnos de que estas propiedades a nanoescala se traducen en la mesoescala": es decir, a la escala de la ingeniería de aplicaciones para infraestructuras, vivienda, y otros usos.

Referencia bibliográfica:

Roland Pellenq et al. Nature Communications (2014).