El bicarbonato de sodio salva al mundo: un nuevo aditivo en la mezcla de concreto podría reducir las emisiones de carbono

Mar 13, 2023

Por David L. Chandler, Instituto Tecnológico de Massachusetts 11 de abril de 2023

La introducción de aditivos en los procesos de fabricación de hormigón podría reducir la considerable huella de carbono del material sin alterar sus propiedades mecánicas a granel, según muestra un estudio del MIT.

MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Los ingenieros del MIT descubren nuevas vías de carbonatación para crear hormigón más ecológico.

La huella de carbono del hormigón podría reducirse en un 15% si se introduce bicarbonato de sodio durante las primeras etapas de la mezcla, según investigadores del MIT. La adición del ingrediente doméstico común ayuda a producir carbonatos durante la mezcla y el vertido, lo que podría reducir drásticamente la cantidad de dióxido de carbono liberado a la atmósfera durante la producción. Este proceso permite que la construcción sea más productiva, ya que los encofrados se pueden quitar antes, lo que reduce el tiempo necesario para completar un edificio o un puente.

A pesar de las muchas ventajas del concreto como material de construcción moderno, incluida su alta resistencia, bajo costo y facilidad de fabricación, su producción actualmente representa aproximadamente el 8 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono.

Recientes descubrimientos realizados por un equipo del MIT han revelado que la introducción de nuevos materiales en los procesos de fabricación de hormigón existentes podría reducir significativamente esta huella de carbono, sin alterar las propiedades mecánicas a granel del hormigón.

Los hallazgos se publican el 28 de marzo en la revista PNAS Nexus, en un artículo de los profesores de ingeniería civil y ambiental del MIT Admir Masic y Franz-Josef Ulm, el posdoctorado del MIT Damian Stefaniuk y el estudiante de doctorado Marcin Hajduczek, y James Weaver del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. .

Después del agua, el hormigón es el segundo material más consumido del mundo y representa la piedra angular de la infraestructura moderna. Sin embargo, durante su fabricación se liberan grandes cantidades de dióxido de carbono, tanto como subproducto químico de la producción de cemento como en la energía necesaria para impulsar estas reacciones.

Approximately half of the emissions associated with concrete production come from the burning of fossil fuels such as oil and natural gas, which are used to heat up a mix of limestone and clay that ultimately becomes the familiar gray powder known as ordinary Portland cement (OPC). While the energy required for this heating process could eventually be substituted with electricity generated from renewable solar or wind sources, the other half of the emissions is inherent in the material itself: As the mineral mix is heated to temperatures above 1,400 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius (2,552 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit), se somete a una transformación química de carbonato de calcio y arcilla a una mezcla de clínker (que consiste principalmente en silicatos de calcio) y dióxido de carbono, y este último se escapa al aire.

Cuando el OPC se mezcla con agua, arena y material de grava durante la producción de concreto, se vuelve altamente alcalino, creando un ambiente aparentemente ideal para el secuestro y almacenamiento a largo plazo de dióxido de carbono en forma de materiales de carbonato (un proceso conocido como carbonatación). A pesar de este potencial del concreto para absorber naturalmente el dióxido de carbono de la atmósfera, cuando estas reacciones ocurren normalmente, principalmente dentro del concreto curado, pueden debilitar el material y disminuir la alcalinidad interna, lo que acelera la corrosión de la barra de refuerzo. Estos procesos finalmente destruyen la capacidad de carga del edificio y tienen un impacto negativo en su rendimiento mecánico a largo plazo. Como tales, estas reacciones lentas de carbonatación en la última etapa, que pueden ocurrir en escalas de tiempo de décadas, se han reconocido durante mucho tiempo como vías indeseables que aceleran el deterioro del concreto.

"El problema con estas reacciones de carbonatación posteriores al curado", dice Masic, "es que alteran la estructura y la química de la matriz de cementación que es muy eficaz para prevenir la corrosión del acero, lo que conduce a la degradación".

Por el contrario, las nuevas vías de secuestro de dióxido de carbono descubiertas por los autores se basan en la formación muy temprana de carbonatos durante la mezcla y el vertido del hormigón, antes de que fragüe el material, lo que podría eliminar en gran medida los efectos perjudiciales de la absorción de dióxido de carbono después del curado del material.

La clave del nuevo proceso es la adición de un ingrediente simple y económico: bicarbonato de sodio, también conocido como bicarbonato de sodio. En pruebas de laboratorio que utilizaron sustitución de bicarbonato de sodio, el equipo demostró que hasta el 15 por ciento de la cantidad total de dióxido de carbono asociado con la producción de cemento podría mineralizarse durante estas primeras etapas, lo suficiente como para hacer una mella significativa en la huella de carbono global del material.

"Todo es muy emocionante", dice Masic, "porque nuestra investigación avanza en el concepto de hormigón multifuncional al incorporar los beneficios adicionales de la mineralización de dióxido de carbono durante la producción y la fundición".

Además, el hormigón resultante fragua mucho más rápido a través de la formación de una fase compuesta no descrita anteriormente, sin afectar su rendimiento mecánico. Este proceso permite que la industria de la construcción sea más productiva: los encofrados se pueden quitar antes, lo que reduce el tiempo necesario para completar un puente o un edificio.

El compuesto, una mezcla de carbonato de calcio e hidrato de calcio y silicio, "es un material completamente nuevo", dice Masic. “Además, a través de su formación, podemos duplicar el desempeño mecánico del concreto en etapa inicial”. Sin embargo, agrega, esta investigación es todavía un esfuerzo continuo. "Si bien actualmente no está claro cómo la formación de estas nuevas fases afectará el rendimiento a largo plazo del hormigón, estos nuevos descubrimientos sugieren un futuro optimista para el desarrollo de materiales de construcción neutros en carbono".

Si bien la idea de la carbonatación del concreto en etapa temprana no es nueva, y hay varias compañías existentes que actualmente están explorando este enfoque para facilitar la absorción de dióxido de carbono después de que el concreto se moldea en la forma deseada, los descubrimientos actuales del equipo del MIT resaltan el hecho de que la capacidad de precurado del hormigón para secuestrar dióxido de carbono se ha subestimado y subutilizado en gran medida.

"Nuestro nuevo descubrimiento podría combinarse aún más con otras innovaciones recientes en el desarrollo de aditivos de concreto con menor huella de carbono para proporcionar materiales de construcción mucho más ecológicos e incluso con emisiones de carbono negativas para el entorno construido, convirtiendo el concreto de un problema a una parte de una solución. ", dice Masic.

Referencia: "Cementación de CO2 en CSH: un paso hacia la neutralidad de carbono concreta" por Damian Stefaniuk, Marcin Hajduczek, James C Weaver, Franz J Ulm y Admir Masic, 28 de marzo de 2023, PNAS Nexus.DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad052

La investigación fue apoyada por el Concrete Sustainability Hub del MIT, que cuenta con el patrocinio de la Portland Cement Association y la Concrete Research and Education Foundation.