materiales de construcción del futuro

TECNOLOGIA DEL HORMIGÓN

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El cambio climático es uno de los retos más importantes y urgentes al que se enfrenta la industria internacional del cemento y la construcción con hormigón. Para el futuro se espera que las emisiones de efecto invernadero, sobre todo de CO2 se regulen de forma cada vez más estricta. A esto hay que añadir los elevados costes de la producción de cemento, que se deben al consumo energético aso-ciado a la fabricación de clínker. Debido a estas circuns-tancias, los investigadores de todo el mundo se esfuerzan en desarrollar nuevas tecnologías para reducir los costes y las emisiones de CO2 netas asociados a la producción y al empleo de materiales de construcción ligados con ce-mento Los esfuerzos realizados para limitar las emisiones en la fabricación de clínker requieren una reducción de la dependencia de los combustibles fósiles. Asimismo, con la reducción del porcentaje de clínker en el cemento se puede seguir mejorando el balance medioambiental, si se utilizan adiciones de cemento a gran escala. El empleo tan difundido actualmente de escorias de alto horno y cenizas volantes está llegando a sus límites debido a la carencia de recursos suficientes y sostenibles de estos materiales. Por estos motivos, actualmente se están estudiando plantea-mientos alternativos para optimizar los ligantes. La estra-tegia más prometedora en este sentido, sobre todo para la industria de los prefabricados, consiste en la sustitución parcial del clínker de cemento portland con la incorpora-ción combinada de arcilla caolinítica calcinada y caliza.

Por regla general, el cemento portland puro tiene más del 90 % de clínker y se fabrica a partir de materias primas que se encuentran disponibles en muchos lugares del mundo. El proceso de fabricación del clínker de cemento incluye la molienda y la calcinación de una mezcla de caliza y arcilla a una temperatura aproximada de 1450 °C. En este proceso se generan aprox. 900 kg de dióxido de carbono (CO2) por tonelada de clínker [1]. Aquí la combustión de combustibles fósiles es la responsable del 40 % de las emisiones de CO2totales, el resto se debe a la descomposición térmica de la caliza [2]. Como el CO2 es uno de los gases que contribuyen en gran medida al calentamiento global, la calcinación de la caliza se debe minimizar por motivos ambientales.

El cemento es el material de construcción más utilizado en todo el mundo. Como muestra la fig. 1, el incremento de consumo de cemento entre el año 1965 y el año 2015 es 2,5 veces superior al incremento del consumo de acero. En el mismo periodo, la producción de cemento se incrementó con respecto a la también creciente población mundial más de diez veces. En el año 2015, la producción mundial de ce-mento fue de aproximadamente 4600 millones de toneladas, lo que corresponde a unos 630 kg per cápita, un valor que es superior a la cantidad del consumo de alimentación hu-mana [3]. Actualmente se estima que la fabricación de ce-mento constituye en torno al 8 % de las emisiones de CO2antropogénicas de todo el mundo [4] y casi el 40 % del ce-

Ventajas y aplicaciones de los cementos LC3

en África y en el resto del mundo

Materiales de construcción del futuro

n Emmanuel S. Leo, Mark G. Alexander, Hans Beushausen, Universidad de Ciudad del Cabo, Sudáfrica

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Fig. 1: Comparación del incremento de la producción mundial de cemento con el crecimiento de la producción de acero y el crecimiento de la población [3]

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n Emmanuel Safari Leo es doctorando en la Universidad de Ciudad del Cabo (Sudáfrica). Su investigación gira en torno al desarrollo de hormigón con un reducido contenido de clínker utilizando ligantes con arcilla calcinada y polvo de piedra caliza. Obtuvo su MSc (Ingeniería Civil) en la Universidad de Ciudad del Cabo y su BSc en la Universidad de Dar es Salam (Tanzania). [email protected]

n Mark G. Alexander es profesor emérito de Ingeniería Civil y Senior Research Scholar en la Universidad de Ciudad del Cabo (Sudáfrica). Cuenta con títulos de BSc (Ing.), MSc (Ing.) y PhD de la Universidad de Witwatersrand, Johannesburgo. Sus campos de investigación son el cemento y los materiales del hormigón, es-pecialmente en el campo de la durabilidad de las construcciones de hormigón. [email protected]

n Hans Beushausen es profesor de Ingeniería Estructural y Materiales de Construcción, así como director del Instituto de investigación de materiales de construcción y saneamiento de construcciones en la Universidad de Ciudad del Cabo. Tras finali-zar sus estudios en la Universidad de Ciencias Aplicadas (HAW) de Hamburgo en la especialidad de Ingeniería Civil, realizó su

MSc y se doctoró en la Universidad de Ciudad del Cabo. Sus investigaciones se centran, principalmente, en la durabilidad y la sostenibilidad de las construccio-nes de hormigón. Asimismo desde hace dos décadas se interesa por la industria de los prefabricados de hormigón y es redactor de PHi. [email protected]

mento producido se utiliza para fabricar hormigón [3]. Por eso es importante integrar procesos sostenibles en todos los aspectos de este sector, con el fin de garantizar un desarrollo sostenible durante las futuras décadas.

Según las Naciones Unidas [5], el crecimiento mundial en las zonas urbanas hasta 2050 crecerá en unos 2500 millones de personas, y el 90 % de este crecimiento se concentrará en Asia y en África. De forma paralela a este desarrollo se espera que el porcentaje de población que viva en ciudades hasta 2050 aumente por término medio a un 66 %. Para África esta cifra se sitúa en un 56 %. Con este enorme éxodo rural a es-cala mundial surgen tremendos retos relativos a las infraes-tructuras urbanas, incluidos los espacios habitables, sistemas de evacuación de aguas residuales y eliminación de basura, puertos y otras construcciones marítimas, así como construc-ciones relacionadas con el tráfico por carretera y ferroviario. La mayor parte de las infraestructuras mencionadas se fabri-cará con hormigón, ya que este material de construcción es relativamente más económico y ecológico. Debido a la cre-ciente demanda de hormigón, este material de construcción, relativamente respetuoso con el medioambiente, contribuirá en gran medida a aumentar las emisiones de CO2 en todo el mundo. Aquí África desempeñará un papel líder en la




reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo al utilizar cementos con un reducido con-tenido de clínker.

Estrategias para reducir los costes económicos y ecológicos del cemento

Se espera que durante las próximas décadas la industria del cemento siga dominada por el cemento portland [3]. Los motivos de ello son múltiples: a) las enormes cantidades ne-cesarias hacen que la producción de cemento portland sea relativamente económica, b) las materias primas necesarias para la producción de clínker se encuentran disponibles en muchos sitios, c) gracias a su tiempo de fraguado típico, el cemento portland garantiza una aplicación exenta de pro-blemas y d) teniendo en cuenta la dilatada experiencia, la confianza en la durabilidad de los hormigones de cemento portland es grande. En 2009 la hoja de ruta para la tecno-logía del cemento de cara a la reducción de las emisiones de CO2 hasta 2050 [6] estableció diversas estrategias que se

dividieron en los siguientes campos temáticos: combustibles, eficiencia energética, materiales de sustitución de clínker, así como la captura y almacenamiento de CO2. En el marco de estos cuatro puntos estratégicos, los fabricantes de hormi-gón y los ingenieros civiles contribuyen a la reducción de CO2 utilizando adiciones de cemento.

Los recursos de las adiciones de cemento más habituales, las escorias de alto horno y las cenizas volantes están limitados en todo el mundo, sobre todo en la mayoría de países africa-nos [1, 3]. En Tanzania, por ejemplo, no hay ninguna fuente de cenizas volantes o escorias de alto horno, en cambio sí hay diferentes cenizas volcánicas. Pero estas no tienen la calidad necesaria para poder utilizarlas como adición de cemento [7]. Aunque en Sudáfrica se producen grandes cantidades de cenizas volantes en centrales carboeléctricas, sobre todo en la región nororiental del país. No obstante, la calcinación del carbón también es la mayor fuente de emisiones de CO2[3, 8], de modo que a largo plazo tampoco se garantiza el suministro continuado de cenizas volantes. Lo mismo ocu-

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Calcined clay

Filler

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Fig. 2: Recursos estimados de posibles materiales de sustitución de cemento en comparación con la producción de cemento portland (en todo el mundo) [3]

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DisponibleVidrio reciclado

Cenizas vegetales

Puzolanas naturales

Escorias de alto horno

Cenizas volantes

Cemento portland

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Arcilla calcinada

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Fig. 3: Mapamundi geológico. Las arcillas con minerales de caolín se pueden encontrar en las zonas de color amarillo, verde claro y rosa.

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Fig. 4: Diferentes arcillas sin calcinar:

a: Bronkhorstspruit clay, b: Hopefield clay, c: Grahamstown clay, d: Pugu hard clay, e: Pugu soft clay, f: HeidelbergCement clay

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rre en Sudáfrica con el futuro suministro de escorias de alto horno, un material de construcción necesario, sobre todo para construir infraestructuras duraderas en zonas costeras. El porcentaje mundial de materiales de sustitución de ce-mento utilizados a menudo para la producción de hormigón se muestra en la fig. 2.

Por otro lado, África cuenta con reservas gigantescas de ar-cilla caolinítica, con la que se puede fabricar un material de adición de cemento extraordinario mediante calcinación [9]. Las arcillas con minerales de caolín se pueden encontrar en el mapamundi geológico mostrado en la fig. 3 en las zonas de color amarillo, verde claro y rosa. Los yacimientos de arci-lla caolinítica posibles en Sudáfrica y en Tanzania se indican en la tabla 1. El yacimiento de Pugu, en Tanzania, es proba-blemente el mayor de toda África y tiene tanto arcillas plás-ticas como poco plásticas. En la fig. 4 se muestran imágenes de diferentes arcillas sin calcinar.

Mediante la calcinación a unos 800 °C, las arcillas caoliníti-cas forman minerales reactivos [10]. En comparación con el clínker de cemento, el empleo de arcilla caolinítica calcinada en el hormigón reduce la cantidad de energía y las emisiones de CO2, lo que tienen que ver con una menor temperatura de calcinación y la molienda más sencilla. Además, en la des-composición de la caliza se libera una gran cantidad de CO2, mientras que en la calcinación de arcilla caolinítica se libera vapor de agua.

Desde el punto de vista tecnológico del hormigón es es-pecialmente importante que la arcilla caolinítica calcinada, debido a su elevado contenido de óxido de aluminio en combinación con el polvo de caliza, es extraordinariamente adecuada como sustitución parcial del clínker de cemento [11]. Con esta combinación de polvo de caliza y arcilla cal-cinada se pueden fabricar construcciones de hormigón más sostenibles y, sobre todo, más duraderas.

Arcilla caolinítica como sustitución del clínkerLos minerales de arcilla que se vayan a utilizar como mate-rial de sustitución de clínker, deberán tener un contenido de caolinita mínimo del 40 %. El resto de materiales que tiene la arcilla tienen una influencia relativa sobre la reactividad [14]. Por eso el contenido de caolinita es un indicador importante

de la idoneidad de las arcillas y se puede determinar me-diante estudios petrográficos (ver p. ej. [10, 14]). El sistema LC³

El principal inconveniente de la mayoría de combinaciones de ligantes habituales de cemento portland y una adición como las cenizas volantes o las escorias de alto horno es el largo desarrollo de la resistencia inicial, algo que se tiene en cuenta, sobre todo, en la industria de los prefabricados. Asi-mismo, por regla general, los hormigones con estas combi-naciones de ligantes requieren un curado más prolongado para alcanzar las propiedades necesarias relativas a la resis-tencia y la durabilidad [16]. Por estos motivos, en la práctica de la construcción, la aplicación de combinaciones de ligan-tes compuestas de bajos porcentajes de cemento portland está limitada. Para combatir los inconvenientes técnicos des-critos anteriormente se han desarrollado combinaciones de ligantes de cemento portland y dos adiciones diferentes, y esta combinación total de ligantes minerales tiene como ob-jetivo unas interacciones optimizadas y, de este modo, unas propiedades del hormigón optimizadas.

En el año 2016, el informe UNEP sobre los cementos ecoló-gicos [3] indicó que la sustitución parcial del cemento port-land con la incorporación combinada de arcilla caolinítica y polvo de caliza es una de las mejores opciones para reducir los costes y las emisiones de CO2 durante las próximas dé-cadas. Está demostrado que este sistema de ligantes de tres materiales, denominado en inglés Limestone Calcined Clay Cement (LC3) (cemento con arcilla calcinada y caliza), con tan solo un 50 % de cemento portland en el hormigón ofrece buenas propiedades de resistencia y durabilidad [11, 17] y reduce casi un 30 % las emisiones de CO2 en comparación con los hormigones de cemento portland [18]. Además, la aplicación industrial de LC3 ya se ha probado con éxito en Cuba y en la India [19, 20].

No obstante, el sistema LC3 requiere el ajuste de los conteni-dos de sulfato y de álcalis. Debido a los elevados porcentajes de alúmina asociados a la arcilla calcinada, el contenido de sulfato se ajusta para asegurarse de que durante la hidrata-ción tenga lugar la reacción de alúmina justo después del punto álgido de la reacción del sílice, ya que de este modo

País Lugar del yacimiento Reservas estimadas

Sudáfrica [12]

Hopefield - Western Cape 1000 millones de t

Grahamstown - Eastern Cape 60 millones de t

Bronkhorstspruit - Gauteng > 35 millones de t

Tanzania[12, 13]

Pugu - Kisarawe Coast Region 2000 millones de t

Matamba - Makete Njombe Region 56 millones de t

Malangali- Mufindi Iringa Region desconocido

HeidelbergCement Clay – Dar es Salaam desconocido

Tabla 1: Potencial de los yacimientos de arcilla caolinítica seleccionados en Sudáfrica y en Tanzania

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se obtiene un aprovechamiento optimizado de las fases de aluminato. El contenido de álcalis también se adapta con el fin de obtener una resistencia inicial suficientemente elevada sin perder las propiedades a largo plazo.

Además de la compactación de la matriz de cemento gracias al tamaño reducido de las partículas, el efecto del metacaolín (un producto de la calcinación de la arcilla) y también el car-bonato cálcico (del polvo de caliza) se basa en una reacción química que tiene lugar durante la hidratación, tal y como se describe en [21 – 26].

Conclusiones

La estrategia prometedora para reducir a largo plazo los cos-tes y mejorar la sostenibilidad de los materiales de construc-ción ligados con cemento consiste en la sustitución parcial del clínker de cemento portland por arcilla calcinada y polvo de caliza. La mayor resistencia a la compresión y durabilidad de esta combinación de ligantes denominada LC3 se consi-

gue mediante el refinamiento de la estructura porosa de la pasta de cemento, que se consigue con la reacción puzo-lánica y la formación de aluminato de calcio. No obstante, en la aplicación industrial se debe tener en cuenta una co-rrecta preparación y aplicación de los materiales, para evitar que, en comparación con el hormigón de cemento portland convencional, se obtengan una resistencia y una durabilidad inferiores.

Especialmente para la industria de los prefabricados, el sis-tema LC3 ofrece la posibilidad de fabricar un hormigón con mejores propiedades técnicas y un mejor balance medioam-biental, teniendo en cuenta una aplicación correcta basada en adiciones de cemento, sin que resulten las resistencias menores que normalmente se obtienen al utilizar adiciones minerales convencionales. Tomando como base los traba-jos de investigación llevados a cabo actualmente en todo el mundo, a largo plazo la fabricación industrial de hormigón podría cambiar. n

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