Ingenieros del MIT que trabajan con científicos de Kuwait han descubierto que las rocas volcánicas, pulverizadas hasta convertirlas en ceniza fina, pueden utilizarse como aditivo sostenible en estructuras de hormigón.
En un artículo publicado en línea en la revista Journal of Cleaner Production, los investigadores informan de que, al sustituir un determinado porcentaje del cemento tradicional por ceniza volcánica, pueden reducir la «energía incorporada» de una estructura de hormigón, es decir, la energía total necesaria para fabricar el hormigón. Según sus cálculos, construir un barrio piloto con 26 edificios de hormigón fabricados con un 50 % de ceniza volcánica requiere un 16 % menos de energía que construir las mismas estructuras íntegramente con cemento Portland tradicional.
Al moler la ceniza volcánica hasta obtener partículas cada vez más pequeñas, los investigadores descubrieron que una mezcla del polvo más fino y cemento Portland producía estructuras de hormigón más resistentes que las fabricadas solo con cemento. Sin embargo, moler la ceniza volcánica hasta obtener partículas tan finas requiere energía, lo que a su vez aumenta la energía incorporada de la estructura resultante. Por tanto, al utilizar ceniza volcánica existe un compromiso entre la resistencia de una estructura de hormigón y su energía incorporada.
A partir de experimentos con diversas mezclas de hormigón y ceniza volcánica, y de cálculos de la energía incorporada de las estructuras resultantes, los investigadores trazaron la relación entre la resistencia y la energía incorporada. Afirman que los ingenieros pueden utilizar esta relación como una especie de guía para elegir, por ejemplo, el porcentaje de cemento que querrían sustituir por ceniza volcánica al construir una estructura determinada.
«Esto se puede adaptar a cada caso», afirma Oral Buyukozturk, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) del MIT. «Por ejemplo, en el caso de un bloque de tráfico, quizá no se necesite tanta resistencia como para un edificio alto. Así, se podrían fabricar esas estructuras con mucha menos energía. Eso es enorme si se piensa en la cantidad de hormigón que se utiliza en todo el mundo».
Buyukozturk es coautor del artículo junto con un equipo interdisciplinario de investigadores, entre ellos el científico investigador Kunal Kupwade-Patil y la estudiante de grado Stephanie Chin, del CEE; la exestudiante de doctorado Catherine De Wolf y el profesor John Ochsendorf, del Departamento de Arquitectura del MIT; Ali Hajiah, del Instituto de Investigación Científica de Kuwait; y Adil Al-Mumin, de la Universidad de Kuwait.
Un aditivo natural
El hormigón es el material más utilizado del mundo, solo superado por el agua. Para fabricar hormigón, primero se extraen rocas como la caliza de las canteras mediante explosivos y luego se transportan a molinos, donde se trituran aún más y se someten a altas temperaturas mediante diversos procesos que dan lugar a la producción de cemento.
Estos procesos, que consumen mucha energía, generan una huella ambiental considerable: la producción de cemento Portland tradicional representa alrededor del 5 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Para reducir estas emisiones, Buyukozturk y otros investigadores han estado buscando aditivos sostenibles y alternativas al cemento.
La ceniza volcánica ofrece varias ventajas sostenibles como aditivo para fabricar hormigón: este material rocoso abunda en las zonas cercanas a volcanes activos e inactivos de todo el mundo y se encuentra de forma natural; por lo general se considera un residuo, ya que no suele utilizarse para ningún fin extendido; algunas cenizas volcánicas tienen propiedades «puzolánicas» intrínsecas, lo que significa que, en forma de polvo y con una menor cantidad de cemento, pueden aglutinarse de forma natural con agua y otros materiales para formar pastas similares al cemento.
«La producción de cemento requiere mucha energía porque implica altas temperaturas y es un proceso de varias etapas», afirma Chin, quien, junto con Kupwade-Patil, dirigió gran parte del trabajo experimental del grupo mientras participaba como estudiante en el Programa de Oportunidades de Investigación para Estudiantes de Grado (UROP) con Buyukozturk. «Esa es la principal motivación para buscar una alternativa. La ceniza volcánica se forma a altas temperaturas y presiones, y la naturaleza realiza por nosotros todas esas reacciones químicas».
El equipo analizó primero cuánta energía se necesitaría para fabricar hormigón a partir de una mezcla de cemento y ceniza volcánica, en comparación con el cemento por sí solo. Para ello, los investigadores consultaron varias bases de datos en las que otros habían calculado la energía incorporada asociada a diversos procesos industriales, como la energía necesaria para triturar roca o curar cemento. Revisaron las bases de datos para reunir los procesos individuales relacionados con la producción de cemento tradicional y de cemento con entre un 10 % y un 50 % de ceniza volcánica.
Después fueron al laboratorio, donde fabricaron pequeñas muestras de hormigón con distintos porcentajes de ceniza volcánica, además de muestras hechas únicamente con cemento Portland. Chin y sus colegas sometieron cada muestra a pruebas de resistencia estándar, como comprimir las estructuras hasta que empezaran a agrietarse. Luego compararon la resistencia de cada muestra con su energía incorporada calculada.
Según sus resultados, sustituir el 50 % del cemento tradicional por ceniza volcánica con un tamaño medio de partícula de 17 micrómetros puede reducir en un 16 % la energía incorporada del hormigón. Sin embargo, con este tamaño de partícula, la ceniza volcánica puede reducir la resistencia general del hormigón. Moler la ceniza hasta obtener partículas de unos 6 micrómetros aumenta considerablemente la resistencia del hormigón, ya que las partículas más pequeñas ofrecen más superficie para que el agua y el cemento se unan químicamente.
Ciudades de ceniza
El equipo extrapoló sus resultados para determinar cómo afectarían a la energía incorporada del hormigón, a escala de edificios y barrios enteros, las estructuras construidas parcialmente con ceniza volcánica.
Los investigadores se centraron en un barrio de Kuwait con 13 edificios residenciales y 13 comerciales, todos construidos con cemento Portland tradicional, en su mayor parte importado de Europa. Con la ayuda de sus colaboradores en Kuwait, sobrevolaron el barrio con un dron para recopilar imágenes y mediciones. También consultaron a las autoridades locales, que les proporcionaron información adicional sobre los sistemas constructivos de cada edificio.
Con toda esta información, el equipo calculó la energía incorporada actual del barrio y, después, cómo cambiaría si los edificios se construyeran con hormigón compuesto por distintos porcentajes de ceniza volcánica, que abunda en Oriente Medio.
Al igual que en sus experimentos de laboratorio, descubrieron que se puede construir la infraestructura de un barrio con bastante menos energía si los mismos edificios se construyen con hormigón hecho a partir de una mezcla de cemento que contenga un 30 % de ceniza volcánica.
«Hemos descubierto que el hormigón puede fabricarse con aditivos naturales que le confieren las propiedades deseadas y reducen su energía incorporada, lo que puede traducirse en un ahorro energético considerable al construir un barrio o una ciudad», afirma Buyukozturk.
Esta investigación recibió financiación parcial de la Fundación de Kuwait para el Avance de las Ciencias. El proyecto se llevó a cabo como parte del proyecto emblemático Kuwait-MIT sobre la sostenibilidad del entorno construido de Kuwait, del que Buyukozturk fue investigador principal.
Estudiantes de grado comparten la autoría
En un segundo artículo, que se publicará próximamente en la revista de la ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, los coautores Chin y Maranda L. Johnston, también exestudiante del UROP, analizan el mecanismo de unión que interviene al sustituir el cemento Portland por ceniza volcánica finamente molida. El equipo utilizó diversas técnicas, incluida la difracción de rayos X con radiación sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Argonne, para examinar la microestructura de las pastas de cemento endurecidas.
Descubrieron que las partículas más finas de ceniza volcánica producían productos a escala nanométrica dentro de la pasta de cemento al endurecerse, lo que ayudaba a densificar la matriz durante el curado. «Nuestro trabajo proporciona a los ingenieros una base para optimizar sus mezclas con aditivos naturales de acuerdo con los requisitos especificados», afirma Kupwade-Patil.
«En cierto modo, se ha convertido en una tradición en mi laboratorio incorporar a estudiantes de primer año y a otros estudiantes del UROP a investigaciones multidisciplinarias de alto nivel que dan lugar a publicaciones en revistas», afirma Buyukozturk. «Esta experiencia de aprendizaje es una parte importante de nuestro sistema educativo».
