Nuevos aditivos podrían convertir el hormigón en un sumidero de carbono eficaz

Mar 21, 2023

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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 hoy 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 postdoctorado 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.

Aproximadamente la mitad de las emisiones asociadas con la producción de concreto provienen de la quema de combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural, que se utilizan para calentar una mezcla de piedra caliza y arcilla que finalmente se convierte en el familiar polvo gris conocido como cemento Portland ordinario (OPC). . Si bien la energía requerida para este proceso de calentamiento podría eventualmente ser sustituida con electricidad generada a partir de fuentes renovables de energía solar o eólica, la otra mitad de las emisiones es inherente al material mismo: a medida que la mezcla mineral se calienta a temperaturas superiores a los 1400 grados Celsius (2552 grados Celsius). Fahrenheit), sufre 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 de poscurado", 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 el 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.

La investigación fue apoyada por Concrete Sustainability Hub en MIT, que cuenta con el patrocinio de Concrete Advancement Foundation y Portland Cement Association.

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