Diseñado por el Dr. Erez Allouche

Aprovechar las cenizas volantes y construir autopistas y puentes con el cemento verde es una buena noticia ambiental, descrita en Detroit Science Center. En comparación con el cemento Portland el Geopolymer ofrece mayor resistencia a la corrosión, con una resistencia al fuego por encima de 2.400 °C, gran fuerza ante la compresión y el estiramiento y menor encogimiento.

Los visitantes del cemento verde en Detroit Science Center observan las cenizas volantes de la planta Cleco de producción de energía quemando carbón en Mansfield, Louisiana.

El cemento verde y su nueva tecnología han sido diseñados por el Dr. Erez Allouche, el cual ha dicho que el Geopolymer está para quedarse, en alusión al nuevo cemento en competencia con el Portland, en aplicaciones de la industria de la construcción. La producción de gases de CO₂ en las plantas de cemento verde quedará reducida en el 90%, en comparación con la producción de Portland. La vida útil de nuevo cemento será años más larga que la del Portland.

Recordemos lo más elemental: es el cemento hidráulico, calcinar una mezcla de arcilla y caliza, y la molienda del klinker resultante para obtener un polvo fino. El proceso de klinkerización produce silicatos de calcio y aluminatos de calcio, que reaccionan químicamente con el agua, para formar una masa dura semejante a la piedra. Al mezclarlos con arenas, ácidos grasos y agua, estos cementos producen hormigones y morteros. El más conocido es el cemento Portland.

Hay el cemento aluminoso por su elevado contenido de alúmina, más que de contenidos de silicato de calcio, y se caracteriza por su rápido desarrollo de resistencia mecánica. Es el portland (silicato y aluminato de calcio anhidro), del cual el año 2.000 se produjeron 500 millones de toneladas en todo el mundo. Pero los hornos rotativos de petróleo alcanzan los 1.500 °C, y emitieron en el año 2000 a la atmósfera unas cantidades de CO₂ que no podemos admitir por más tiempo. En 2014 se han producido 1.890 billones de toneladas de cemento (silicato de aluminio). La opinión sobre el Portland es unánime. Al fabricar una presa con Portland y agua se produce una emisión de calor: La superficie de la presa está fría y el interior caliente, con tensiones térmicas y grietas. La mezcla de Portland y material aireante no ha resuelto el problema.

La solución, Green concrete, fue presentada por la 2ª Conferencia Internacional de Ingeniería civil sostenible, celebrada en la Universidad Mada, en Yogiakarta, Indonesia en 2014.

Las circunstancias responsables de la economía y la transformación social son el crecimiento de la población, la creación de industrias y la urbanización, que han creado la contaminación ambiental, la disminución de los hielos polares y el calentamiento global.

Green concrete se define como el cemento que utiliza los materiales de deshecho, respetuoso con el medio ambiente, que mejora los 3 pilares de la sostenibilidad: el Medio ambiente, la economía y el clima social. Los factores que usamos para averiguar si un cemento es Verde son: los nuevos materiales cuanto Portland disminuyen, el proceso de fabricación y el aumento de vida útil del nuevo cemento. El objetivo más importante es la reducción de los gases de invernadero (CO₂) producidos por la industria del cemento y el uso de materiales de deshecho, cenizas volantes. El cemento verde mejora el desarrollo sin perjudicar al Medio Ambiente, con una fuerza de 27,6 MPa como mínimo a los 28 dias, muy parecida al cemento convencional usado en la construcción. A los 84 dias la fuerza es de más de 55.2 MPa. del cemento verde con mezclas.

Para introducir el cemento verde en Dinamarca allí piden el uso de productos residuales de la planta de cemento: polvo de piedra, cemento mineralizado y la adición de piedra caliza molida. El porcentaje de cenizas volantes será del 40-50%. Las emisiones de CO₂ serán menores del 30% del cemento convencional.

Consumir menos cemento de larga duración en estructuras nuevas con diseños mejorados, el uso de elementos prefabricados para un ensamblaje fácil y optimizar el uso de agregados. Usar también las cenizas volantes de la planta de arroz.

Crear la fibra de cemento a base de agua, cemento, agregados finos, sin aditivos químicos, con fibra de alcohol polivinilo y polietileno, un cemento de buenas propiedades mecánicas, muy dúctil y de larga duración. Con fibra de alfombra reciclada, 701 kg de 1 metro cúbico de arena, 289 kg de m³ de agua y 26 kg m³ de fibra PVA. El consumo de subproductos y sus cenizas se puede compensar con una microestructura cuidada. Las basuras urbanas también sirven para el cemento verde con su incineración en el cemento-mezcla. Son un recurso renovable y disminuyen las emisiones de CO₂.Es una lechada de un nivel aceptable: 58 MPa a los 28 días y 68 MPa a los 56 días.

Solo en EE UU las basuras post consumo suman en un año más de 5 billones de Tm junto con los subproductos industriales, y vidrio usado, que se pueden reciclar. El material de dragado en los puertos para facilitar el desplazamiento de barcos de mayores dimensiones. La roca excavada en la construcción de túneles, los ladrillos y tejas de edificios demolidos y caliza. Además de las cenizas se puede reciclar el viejo cemento demolido, como un agregado para el nuevo cemento.

Los agregados al cemento no suelen superar el 25% en relación al cemento nuevo. La industria de la construcción se ha de reformar previamente al uso del cemento verde en substitución del cemento convencional.

Si comparamos con otros materiales: madera, acero y aluminio, dos barras estructurales, una de cemento verde y otra de acero, que soportan el mismo momento de fuerza, vemos que fabricar la barra de cemento verde ha costado la mitad de energía, 109 MJ, que la banda de acero, 237 MJ. Como la producción de cemento verde puede ser enorme en millones de toneladas, la energía que hemos ahorrado ha sido inmensa.

Figura 3: Energia necesaria para producir un bloque de cemento de 109 MJ(izquierda) reforzado con dos barras de acero fue aproximadamente la mitad de la energía necesaria para construir la barra de acero (derecha) 237 MJ.

La F3 muestra a la izquierda las 2 barras oscuras de cemento verde, y a la derecha el perfil de acero equivalente.

Otras soluciones son:

• Añadir en cantidad cenizas volantes al silicato-aluminato de calcio anhidro.

Supone ahorrar energía al fabricarlo. Parece lo más práctico. Otros agregados aceptables son polímeros inorgánicos, cemento activado con álcalis (NaOH, Na₂C0₃), disoluciones de silicatos alcalinos hidratados, cemento-magnesia, cemento de sulfoaluminato, cemento reciclado molido. Usar la puzolana (sal de aluminio y silicio que reacciona con cal hidratada y agua).

• Recurrir a la nanoingenieria, trabajar el cemento en el nivel atómico molecular.

Al nivel 1-100 nm. El nanómetro es 10 elevado a menos 9 = 1/por 1000.000.000 de metro. Para que tengamos una idea del nanómetro, un cabello humano tiene un diámetro de 5000 nm. La materia exhibe unas propiedades no usuales en la nanoescala, de tipo físico, químico y biológico; son diferentes propiedades magnéticas, térmicas y eléctricas, que difieren de la materia, llamemos normal; mas químicamente reactivas, reflejan mejor la luz, y cambian de color, cuando modificamos su tamaño.

La fuerza y durabilidad del cemento dependen de la forma de nanopartícula esférica, por ejemplo: el silicato cálcico anhidro, de solo 5nm de diámetro. Si esas esferas las comprimimos suficientemente, sin llegar a quemarlas, ya tienen propiedades nano.

La proporción de cenizas volantes óptima se creía que era del 15-20%, pero al parecer esos porcentajes pueden aumentar sin perjudicar al Medio Ambiente, ni a las buenas características del cemento verde. Con reducción importante del CO₂ producido.

La Universidad de Berkeley ha utilizado las cenizas volantes en alta proporción respecto al cemento, sin concretar el porcentaje, en un edificio de su campus, resistente a los terremotos. Ha logrado un edificio que resiste el terremoto con eficacia.

Se produjeron mejoras en el Portland convencional con cambios en las proporciones de la mezcla de cemento. Sirve de muestra el edificio de 6 plantas Baker Hall, que cumple 40 años en el campus de la Universidad de California, Berkeley, con 50% de cenizas volantes. Durante el terremoto hay más seguridad de la población universitaria.

Mehta ha informado en 2002 en la revista Concrete International de añadir puzolana al cemento en una proporción del 50%, y se logró una fuerza de 14MPa a los 3 días y 38 MPa a los 28 días.

• Nanocemento con nanotubos de carbono.

Son una hoja de grafito, que tiene los átomos de carbono dispuestos en forma exagonal y esa forma da al nanotubo sus propiedades. El nanotubo de carbono tiene una fuerza de 7GPa, que podemos comparar con la fuerza del acero reforzado: 0,4 GPa. La diferencia en fuerza es enorme, la capacidad de cambio de propiedades del nanocemento y del acero.

Debido a la simetría y propiedades electrónicas del grafeno, la estructura del nanotubo afecta a sus propiedades eléctricas: su conductividad es 8 veces más elevada que la del cobre.

Planta de producción de cemento Portland, con emisión intensa de CO₂. Urge la eliminación.

La Universidad de Minnesota ha iniciado la creación del nanocemento al añadir al cemento mezcla los nanotubos de carbono. Ese cemento muestra una relación entre la tensión del cemento y sus propiedades eléctricas, que es muy lineal, no logarítmico, muy apto para aplicarlo a sensores de tensión.

Si construimos un pavimento con ese cemento de nanotubos, observamos que la resistencia eléctrica del nuevo cemento varía con los niveles de tensión compresiva de los peatones y vehículos. Es un buen sensor de la relación compresión/tensión del cemento.

En Indonesia hay arena silícea, que se puede moler a nivel nano para lograr el Green concrete. Esa nanoarena nos puede servir como puzolana reactiva, y ser mezclada para lograr el Green Concrete, en el Centro de Cerámica de Indonesia. Sus arenas contienen más del 50% de partículas de un diámetro de 70 nm, unas son cristalinas y otras amorfas. Con un separador adecuado podemos escoger las partículas amorfas de Si02, con un diámetro máximo de 100 nm. Con 15% de arena de silicio local se consigue el Green Cemento de fuerza máxima 132 MPa. Con resistencia máxima contra la penetración de los iones de sodio en el cemento.

Green concrete permite mejorar mucho las cualidades del cemento convencional gracias a la química verde. Así obtenemos varias clases de cementos, que todos ellos aceptan materiales reciclados, además de las cenizas volantes y que reducen las demandas de energia al producir el cemento. Hay 3 clases de cemento verde: el cemento álkali activado, cemento magnesia y cemento sulfoaluminato. Con vida útil en años muy extensa, con un buen potencial económico.

El aluminosilicato activado álkali tiene unas emisiones de CO₂ en el horno de producción inferiores al cemento Portland. Tiene fuerza suficiente en su reacción con el agua y alta resistencia química. Sus características son muy aceptables, pero hay que saber aplicarlo en la obra. Como agregado del cemento sirve el llamado barro de Mina, que aporta fuerza de compresión y de tensión.

Es bien conocido que la tecnología del Geopolímero esconde factores como la falta de datos de largo término, superior a los 20 años, y el nivel mínimo de agregados al nuevo cemento..Además de la inserción de cenizas volantes hay las cenizas al quemar los residuos domésticos y la caliza y vidrio convertidos en nanopolvo.

A nivel mundial el 8-10% de las emisiones de CO₂ a la atmósfera proceden de la producción de Portland en los hornos, que utiliza subproductos-basura. La substitución será gradual con el Green Concrete, pero se logrará, todo son ventajas.

Referencias

• Malhotra, V.Making concrete greener with fly ash. Concrete International 1999 May.
• Strubble, L. How sustainable is concrete? Concrete technology. 2006 University of Illinois.
• Meyer, C. 2005. Concrete as green building material. Columbia University.Engineering mechanics.
• Holland, TC. Sustainability of the concrete industry. What sould be ACL’role?. 2002 Concrete International July.
• Metha, P K. Greening of the concrete industry. Concrete International.2002 July.
• Torgal, F.P.The effect of aggregates on strength and microstructure of geopolymeric mine vaste. 2007 Concrete research June.