Investigadores del MIT desarrollan nuevos aditivos para hormigón "verde"

Los investigadores del MIT están descubriendo nuevas formas de fabricar hormigón que liberarán menos dióxido de carbono a la atmósfera.

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El hormigón es el segundo material más consumido del mundo. El agua es lo primero. También es la piedra angular de la infraestructura moderna. Se utiliza para construir carreteras, puentes, edificios y cualquier otra cosa que esté diseñada para ser resistente y duradera. Pero hay un inconveniente. La fabricación de hormigón produce grandes cantidades de dióxido de carbono como subproducto químico de la producción de cemento y en la energía necesaria para impulsar estas reacciones. Cada año, alrededor del 8% de las emisiones globales de carbono están asociadas con la fabricación de cemento y concreto.

Un equipo de investigadores del MIT dice haber descubierto nuevos materiales que reducen significativamente las emisiones de carbono de los procesos de fabricación de hormigón convencionales sin alterar las propiedades mecánicas del hormigón. Sus hallazgos se publicaron el 28 de marzo en la revista PNAS Nexus, en un artículo con el atractivo título "Cementing CO2 into CSH: A step within concrete carbon neutrality". Los autores son los profesores de ingeniería civil y ambiental del MIT Admir Masic y Franz-Josef Ulm, el candidato postdoctoral del MIT Damian Stefaniuk y el estudiante de doctorado Marcin Hajduczek. James Weaver del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard también contribuyó.

Aproximadamente la mitad de las emisiones asociadas con la producción de cemento 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 sustituirse con electricidad generada a partir de fuentes renovables de energía solar o eólica, la otra mitad de las emisiones es inherente al propio material. A medida que la mezcla de minerales se calienta a temperaturas superiores a los 1.400 grados Celsius (2.552 grados Fahrenheit), sufre una transformación química de carbonato de calcio y arcilla a una mezcla de escoria (que consiste principalmente en silicatos de calcio) y dióxido de carbono, que luego se libera en el aire.

En un comunicado de prensa, los investigadores del MIT dicen que 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 en forma de materiales carbonatados (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 normalmente ocurren, 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. Estas reacciones de carbonatación lentas y tardías, 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". Las nuevas vías de secuestro de dióxido de carbono descubiertas por los investigadores 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 de que el material se cura.

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% 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 concreto multifuncional al incorporar los beneficios adicionales de la mineralización de dióxido de carbono durante la producción y la fundición".

Crédito de la imagen: MIT

La otra buena noticia es que el concreto resultante fragua mucho más rápido a través de la formación de una fase compuesta no descrita anteriormente sin afectar su desempeño mecánico. Este proceso permite así que la industria de la construcción sea más productiva. Por ejemplo, los formularios se pueden eliminar antes, lo que puede reducir 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".

La idea de la carbonatación del concreto en etapa temprana no es nueva. Hay varias empresas existentes que están explorando este enfoque para facilitar la absorción de dióxido de carbono después de que el concreto se moldea en la forma deseada. Sin embargo, los descubrimientos actuales del equipo del MIT destacan 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 negativas de carbono para el entorno construido, convirtiendo el concreto de un problema a una parte de una solución. ", dice Masic. 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.

Masic tiene una fascinación por el hormigón, particularmente el hormigón hecho por los romanos que ha durado más de 1500 años. Él y su equipo de investigadores investigaron la situación y descubrieron que el hormigón romano a menudo contiene trozos de carbonato de calcio. Anteriormente, la gente atribuía esos trozos a técnicas de mezcla deficientes, pero Masic cree que le dan al concreto propiedades de autorreparación. Si el agua se filtra en el concreto, reacciona con el carbonato de calcio para formar concreto nuevo que fluye hacia las grietas creadas por el proceso de envejecimiento.

Otros investigadores sugieren que los romanos usaron agua de mar y material volcánico para hacer las estructuras de concreto que lindan con el océano. Algunas de esas estructuras también tienen más de 1500 años en la actualidad.

Es interesante preguntarse por qué el conocimiento que poseían los romanos hace 15 siglos no se transmitió a los constructores modernos. La Edad Media parece haber borrado gran parte del conocimiento colectivo acumulado por la humanidad hasta ese momento. Ahora los investigadores luchan por comprender qué era de conocimiento común en el año 500 d. C. Tal vez nosotros, la gente moderna, no somos ni la mitad de inteligentes de lo que creemos.

Steve escribe sobre la interfaz entre la tecnología y la sustentabilidad desde su hogar en Florida o desde cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente no le importa por qué se rompió el vidrio. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3000 años: "El secreto para cambiar es enfocar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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