Cada vez percibimos con más claridad los efectos del cambio climático y el calentamiento global, por lo que es necesario el esfuerzo de cada una de las industrias para la reducción de la contaminación ambiental. En la industria de la construcción gran parte de las emisiones provienen de la fabricación de los materiales, y dentro de este rubro el cemento tiene un papel importante. Sin embargo, algunos investigadores están desarrollando y usando nuevos productos, tecnologías y procedimientos para reducir las emisiones de CO2 de este importante material haciéndolo más amigable con el entorno.
Actualmente, se estima que la elaboración de cada tonelada de clínker portland libera entre 0.8 y 0.9 toneladas de dióxido de carbono (CO2) por la alta cantidad de energía que requiere su fabricación. Esto se agrava con el incremento de la producción mundial de cemento que, en 1990, superó los 1,000 millones de toneladas (MMT). Para el 2005 la producción mundial superó los 2,000 MMT y para el 2008 las 2,830 MMT. Desde entonces se produjo un fuerte crecimiento de la producción mundial alcanzando las 3,294 MMT en el 2010 y se estima que llegue al astronómico récord de 3,859 MMT en este año, lo que significarían aproximadamente 3,280 toneladas de CO2 lanzadas a la atmósfera. Preocupante cuando recordamos que hace algunos años estas cifras eran proyectadas para el 2020.
Sin embargo, estos niveles de contaminación por kilogramo son menores que en la producción de otros materiales. La energía necesaria para la extracción, fabricación, transporte e instalación de cada kilogramo de elementos de construcción es de 1.3 MegaJoule (MJ) para el caso del concreto de 30 MPa. Esta cifra es menor que los 9MJ/kg necesarios para el acero reciclado y los 32 MJ/kg que demanda el acero de primera mano. Sin embargo, por el volumen de producción de concreto, estimado en 17,000 MMT anuales al 2005, es uno de los más contaminantes.
INVESTIGACIONES
Las propuestas para la reducción de la contaminación por la producción de cemento van en diferentes direcciones. Desde la disminución de su uso en la construcción hasta el reemplazo del clínker en su elaboración y la búsqueda de nuevos materiales, algunos de los cuales saldrían al mercado en los próximos años.
Las propuestas para la reducción de la contaminación proveniente de la industria del cemento van desde la optimización de su uso, pasando por el reemplazo del clínker hasta la aparición de nuevos materiales como el Novacem. Una de las propuestas más importantes es el reemplazo del clínker por otros materiales como las cenizas volantes y la escoria de alto horno.
En la primera alternativa los investigadores recomiendan a los arquitectos e ingenieros estructurales desarrollar diseños innovadores que minimicen el consumo de cemento. La vida útil de las estructuras reparables debe extenderse lo más posible por el uso de materiales y métodos adecuados de reparación. Además, se propone que los proyectos de baja prioridad, o parte de ellos, sean pospuestos o cancelados en lo posible. Asimismo, sugieren que los cimientos, columnas, vigas de concreto y los elementos prefabricados que se puedan montar o desmontar sean elaborados con mezclas de concreto de alta duración para que puedan ser reusados.
Otra alternativa es el uso de mezclas de concreto diseñadas para reducir la cantidad de materiales cementantes. Por ejemplo, se puede reducir el contenido de pasta de cemento a través de una granulometría óptima, el uso de aditivos plastificantes y las especificaciones de resistencias a 56 o 91 días para elementos estructurales que no requieren una resistencia mínima a 28 días.
Estas medidas pueden ser abordadas por los profesionales del sector construcción, pero la reducción más significativa de emisiones de la industria del cemento está en manos de las cementeras y la demanda del mercado. Por ejemplo, se ha demostrado que los concretos elaborados con cementos de bajo factor de clínker son mucho más duraderos en comparación con los productos ordinarios de cemento portland.
Estudios publicados revelan que las mezclas de alta resistencia inicial usadas en diversas estructuras tienen poca durabilidad ya que se hacen generalmente con cemento de alto contenido de material cementante y un elevado factor de clínker. El producto endurecido contiene una pasta de cemento heterogénea, con uniones interfaciales débiles y es vulnerable a las grietas de contracción térmica y la contracción por secado. De acuerdo al investigador y profesor de la Universidad de Stuttgart (Alemania), H.W. Reinhardt, para minimizar la contracción, el volumen de la pasta de cemento en el concreto no debe exceder los 290 L / m3.
En todo caso los cementos en base a clínker pueden ser elaborados con un factor de 0.5 o menos de este material con un alto volumen de escoria granulada de alto horno, las cenizas volantes de carbón (ASTM Clase F o C), o una combinación de ambas. También se pueden usar puzolanas naturales calcinadas en combinación con las cenizas volantes y/o la escoria granulada. Estos cementos con alto contenido de cenizas volantes y escorias tienen un tiempo de fraguado y endurecimiento mayor, pero son más adecuados para la fabricación de productos de concreto de alta resistencia. Lamentablemente en todo el mundo la práctica convencional de la construcción con concreto está dominada por especificaciones normativas que no permiten el uso de un alto volumen de aditivos minerales. Sin embargo, ahora los cementos que contienen un gran volumen de materiales cementantes complementarios pueden ser fabricados de acuerdo con la norma ASTM C 1157, un estándar de los cementos hidráulicos basado en el rendimiento.
Encontramos esta práctica en Estados Unidos, donde se usan cenizas pero como parte de los aditivos minerales que se agregan en la elaboración de concreto premezclado y no frecuentemente en la fabricación de cemento.
Sin embargo, de acuerdo con la American Coal Ash Association, en Estados Unidos se usan aproximadamente 14 MMT anuales de cenizas como material complementario en la elaboración de mezclas de concreto. Pero es aún poco cuando este país dispone de 70 MMT cada año. En países como China y la India también se estarían usando importantes cantidades de mezclas de cemento con presencia de cenizas volantes en porcentajes que varían entre 20% y 30%.
Las mezclas de concreto con cenizas volantes, puzolanas naturales o minerales calcinados y el humo de sílice, han demostrado alta resistencia a la reacción química, y menor vulnerabilidad al fisuramiento. Se está usando el cemento con baja presencia de clínker en la fabricación de otros productos como ladrillos, pavimentos y está en debate la elaboración de elementos prefabricados.
Por su parte, las especificaciones europeas de cemento EN 197 / 1, publicadas el año 2002, contienen 26 tipos de cementos portland mezclados entre los que figuran tres tipos de cemento que tienen factores de clínker que varían entre 0.35 y 0.64. El Tipo III-A es cementos con escoria granulada de alto horno en proporción de 36% a 65%, el tipo IV-B es cemento con puzolana entre 36% y 55% (cenizas volantes, puzolanas naturales o minerales calcinados y el humo de sílice). El tercero es el cemento Tipo VA que comprende los cementos compuestos que contienen entre 18% y 30% de escoria granulada de alto horno y entre 18% y 30% de puzolanas.
Según las estadísticas del 2005 de la Asociación Europea del Cemento (Cembureau), el consumo de cemento Portland en los países de la Unión Europea se redujo al 30% del total de cemento producido. Los cementos con presencia de hasta un 25% de materiales cementantes complementarios captaron el 57% de la demanda del mercado, mientras que los cementos con una proporción superior a 25% de materiales cementantes complementarios representaron el 10% del consumo total de cemento.
Esta es una tendencia que otros países, como el Perú, deberíamos seguir con la respectiva legislación. Sobre todo cuando la cantidad de cenizas volantes disponibles es relativamente abundante. Se estima que en un futuro cercano en el mundo estarían disponibles 1,200 MMT de cenizas volantes al año, gran parte de las cuales serían aptas para su uso como material cementante complementario. Esto depende del trabajo conjunto entre los productores de cenizas, los compradores de cemento y las autoridades que normen el uso de estos materiales en su elaboración.
En esta senda la empresa española Tecnalia ha presentado una nueva generación de cementos ecológicos que permiten reducir las emisiones directas de dióxido de carbono a la atmósfera hasta en un 100%. En la elaboración de estos productos, el Equipo de Construcción con Nanomateriales (NANOC) de la referida empresa, ha sustituido la piedra caliza por residuos sólidos de centrales térmicas. La tecnología desarrollada por Tecnalia Construcción permite reducir la demanda energética del proceso de síntesis del cemento en aproximadamente un 50%.
Otra alternativa son los cementos a base de silicato de magnesio que, a diferencia del clínker usado para elaborar portland, requieren mucha menos energía para producirse y hasta pueden ser creados a partir de biocombustibles.
Este es el caso del cemento anunciado para el 2015 elaborado por la empresa británica Novacem. Pero no solo requiere menor energía para su fabricación, sino que es capaz de absorber los gases contaminantes durante su creación, como en dióxido de carbono, para reducir a cero su contaminación e inclusive ser carbono negativo; es decir, que elimina más carbono del que emite su fabricación. Según sus creadores, el Novacem tendrá la misma calidad y precio que el cemento tradicional.
En cuanto a mezclas de concreto, el uso de cemento con alto contenido de cenizas volantes ha demostrado ser altamente durable y sostenible. Estos concretos también pueden ser elaborados con un alto volumen de escoria de alto horno o una combinación de estos con cenizas volantes.
Cuando se trata de mezclas con cenizas volantes estas tienen un bajo contenido de agua (aproximadamente 100 – 130 kg/m3), y un bajo contenido de materiales cementantes (por ejemplo, 300 kg/m3 para resistencias normales y un máximo de 400 kg/m3 para concretos de alta resistencia). Investigadores aseguran que la acción de plastificación de la gran cantidad de cenizas volantes imparte una excelente manejabilidad incluso en relaciones agua-cemento (a/c) del orden de 0.4. Sin embargo, se suelen usar plastificantes químicos cuando se requieren bajas relaciones a/c. También puede incluirse un aditivo incorporador de aire cuando se requiere protección contra la acción de las heladas. En comparación con el concreto tradicional de cemento portland, las mezclas de concreto con cenizas volantes logran las mismas resistencias a 28 días, Sin embargo, a los 3 y 7 la resistencia es ligeramente menor, pero es muy superior a los 90 días y al año. Además, la reacción puzolánica que conduce a la eliminación completa de hidróxido de calcio de los productos de hidratación del cemento permite que estos concretos sean altamente resistentes a la reacción álcali, sulfatos y otros ataques químicos y corrosivos, como mucho menos vulnerables al fisuramiento por contracción térmica o por secado.
Algunas empresas están investigando nuevas posibilidades, por ejemplo, Tecnalia desarrolló un cemento ecológico con residuos de centrales térmicas; y la empresa Zeobond con sus geopolímeros.
Otra clase alternativa de concreto ya se está distribuyendo. Se trata de los llamados geopolímeros. La compañía australiana Zeobond ha desarrollado el concreto premezclado E-Crete, elaborado con un cemento de geopolímeros que, afirma el director ejecutivo Peter Duxson, emite hasta un 80% menos de CO2 que el cemento portland en su fabricación.
Zeobond comenzó a hacer losas de pavimentación de geopolímeros en el año 2008. Ahora, una biblioteca en Melbourne ha sido construida únicamente con E-Crete en sus paredes y el pavimento. La empresa produce 3,000 toneladas al año (una planta de cemento portland promedio produce 1 millón de toneladas de cemento al año, suficiente para un máximo de 10 millones de toneladas de concreto), pero las economías de escala impiden el crecimiento. Es un problema permanente con materiales que no han resistido la prueba del tiempo. «Nadie quiere ser el primero en construir con ellos», dice el director ejecutivo de Zeobond, Peter Duxson. «Si se va a construir un futuro edificio de 100 pisos, me gustaría recomendar el uso de concreto ordinario en las columnas de soporte, pero para las paredes y el camino de entrada, vamos a usar un sustituto con un mejor perfil de emisiones».
A pesar de los esfuerzos de las empresas cementeras, los ecologistas y los gobiernos; muchos especialistas creen que en realidad el cemento y el concreto nunca serán materiales realmente sostenibles. Sin embargo, asegura el director de sostenibilidad del American Concrete Institute (ACI), Kevin Mlutkowski, la industria del concreto está a la escucha y se centra en la sostenibilidad y la capacidad de recuperación, al menos en los países desarrollados. Explicó que una mayor durabilidad será la clave para la industria del concreto para satisfacer la creciente demanda de construcción sin comprometer el medio ambiente.
EDIFICIOS
En los Estados Unidos se usaron cementos con gran presencia de escoria de alto horno y cenizas volantes en la construcción de edificios como el templo en Chicago de la organización socio espiritual hindú Bochasanwasi Shri Akshar Purushottam Swaminarayan Sanstha (BAPS Swaminarayan Sanstha). Este fue construido con cemento de alto contenido de cenizas volantes en la cimentación monolítica no reforzada.
Fue edificado en el año 2003 con elementos de concreto diseñados para durar 1,000 años o más. La superestructura del templo se compone de unos 40,000 segmentos de mármol blanco tallado. La cimentación monolítica se apoya en 250 pilotes excavados de 9 m de alto y 1 m de diámetro. Todos los elementos estructurales son de concreto vaciado in situ. Este último contiene 105 kg/m3 de cemento Portland tipo I y 195 kg/m3 de cenizas volantes clase C, 2 l/m3 de superplastificante policarbonato-boxylate, y 100 kg/m3 de agua. En resumen, el total de material cementante es de 300 kg/m3, el factor de clinker era solo de 0.33, y la relación a/c también fue de 0.33.
La mezcla fresca tenía un slump de 150 – 200 mm y mostró una excelente capacidad de bombeo, lo que hizo posible vaciar y terminar 400 m3 de concreto para la losa de la sala principal de oración (22 m x 18 m x 1 m), en menos de 5 horas. Los valores típicos de resistencia a la compresión a los días 3, 7, 56, y a 1 año fueron de 10 MPa, 27 MPa, 48 MPa, y 60 MPa, respectivamente. No se presentaron grietas estructurales. Además, la permeabilidad de la penetración de cloruros fue sorprendentemente baja, llegando a < 200 en muestras de 1año de antigüedad. Una mezcla de concreto convencional habría requerido 400 kg/m3 de cemento portland para lograr una resistencia similar. El uso de 3,000 m3 de concreto con cenizas volantes significó un ahorro de 900 toneladas de cemento portland, lo que se traduce en la reducción de aproximadamente 800 toneladas de CO2 de emisiones.
También se usaron cenizas volantes en la rehabilitación sísmica del capitolio del estado de Utah, ejecutada en el 2006. En estas obras se reforzaron los cimientos, vigas y muros. Debido a la congestión en los refuerzos de las cimentaciones, las vigas de pisos y muros se usó un concreto prácticamente autocompactante con una presencia de 160 kg/m3 de cemento portland, 200 kg/m3 de cenizas volantes clase F, 138 kg/m3 de agua, y 1 l/m3 de superplastificante. De esta forma la presencia de clínker en la mezcla fue de 0.44 y la relación a/c de 0.38. Esta mezcla tuvo un slump de 150 mm y una resistencia a la compresión a 28 días de 27 MPa. El concreto de campo mostró un slump promedio de 225 mm y una resistencia a 28 días de 34 MPa. Se estima que se usaron 4,500 m3 de concreto con cenizas volantes, lo que se tradujo en la reducción de 900 toneladas de emisiones de CO2.
Algunos edificios construidos con estos cementos son el templo del BAPS Swaminarayan Sanstha en Chicago y el CITRIS de la Universidad de California, mientras que el Capitolio del estado de Utah fue rehabilitado y aislado sísmicamente.
En el edificio del Centro de Investigación de Tecnologías de la Información para Interés de la Sociedad (CITRIS por sus siglas en inglés), de la Universidad de California en Berkeley, contiene 10,700 m3 de concreto HVFA (High Volume Fly Ash) el mayor volumen utilizado alguna vez para la construcción de un único edificio. Para las cimentaciones y las plateas se usó una mezcla de concreto con 160 kg/m3 de cemento portland ASTM Tipo II, 160 kg de cenizas volantes de la clase F, y 123 kg/m3 de agua (relación a/c 0.37). Para las columnas fuertemente reforzadas, muros, vigas, y vigas de losas, se usó una mezcla de concreto con 200 kg/m3 de cemento portland ASTM Tipo II, 200 kg/m3 de cenizas volantes clase F, y 140 kg/m3 de agua (es decir una a/c de 0.35). Como se puede deducir, el factor de clínker en ambos casos es de 0.50 resultando en una resistencia a 28 días de 27 MPa en todos los elementos estructurales excepto en las cimentaciones y las plateas. Estas últimas fueron diseñadas para una resistencia mínima a 56 días de 27 MPa.
En las columnas, el concreto alcanzó una resistencia de 20 MPa a 7 días y aproximadamente 40 MPa en el día 56.
El uso de estos materiales derivó en una importante reducción de las emisiones de CO2. Se estima que se dejaron de arrojar a la atmósfera cerca de 1,950 toneladas atribuibles al clínker.
EN EL PERÚ
En el Perú se han venido estudiando diferentes mecanismos para reducir las emisiones de CO2 por la elaboración del cemento portland. Ya en el año 1978 se llevó a cabo un programa de investigación sobre los cementos portland de escoria de alto horno, gracias a un convenio entre Cementos Norte Pacasmayo y el Instituto de Investigación Tecnológico Industrial y de Normas Técnicas (Itintec). La investigación, dirigida por el ingeniero Manuel Gonzales de la Coreta, arrojó que los cementos con un alto contenido de escoria de alto horno pueden ser bien usados en la construcción. En aquellos años se analizaron sus propiedades químicas y físicas concluyéndose que presentan algunas ventajas sobre el cemento portland tradicional, además de consumir menos energía y emitir menos CO2.
Asimismo, durante el VIII Coloquio de Química del Cemento organizado por la Asociación de Productores de Cemento (Asocem), se presentó el informe resultante del análisis de un cemento portland denominado ecológico. El documento presentado por el ingeniero Manuel Gonzáles de la Cotera describe los análisis realizados sobre el comportamiento del cemento portland de los tipos 1 y V con adiciones de filler calizo en porcentajes del 3% y 5% en masa, para obtener la reducción de la emisión de CO2 adicionalmente de SO2 NOx y material particulado.
Las conclusiones del informe dan cuenta de que los elementos con incorporación no mayor de 5% de filler calizo, pueden contribuir al desarrollo sostenible de la industria, facilitando la reducción de las emisiones de CO2 y colaborando con los sistemas industriales que limitan las emisiones de material particulado y de SO2.
