El “cemento verde”, uno de los 10 grandes retos tecnológicos

5 noviembre, 2015 Jorge Sánchez Dolado

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Cuando pensamos en materiales avanzados pocas veces incluimos al cemento y a los materiales en base cemento como morteros y hormigones en nuestro imaginario colectivo. Posiblemente su omnipresencia en cualquier forma constructiva como puentes, carreteras, edificios, plantas nucleares, etc. nos ha hecho obviar que ha sido, es y será, un material único e irremplazable en nuestra sociedad.

Por una parte, por ser un material no geo-estratégico, ya que la materia prima con la que se produce (arcillas y calizas) son abundantes a lo largo de toda la corteza terrestre. Poca gente repara en el hecho de que la composición química del cemento, el producto resultante de calentar a 1450ºC las arcillas y las piedras calizas, salvando un sobre exceso de calcio, se parece mucho a la composición química de la corteza terrestre. Por otra parte, por su capacidad de producir, tras contacto con agua, un material moldeable que se endurece a lo largo del tiempo. En efecto, los materiales en base cemento son geo-miméticos y permiten construir rocas artificiales moldeables.

Si bien, comparativamente con respecto a otros materiales la producción de cemento es bastante eficiente en términos de energía consumida, su producción conlleva un gran pero. Por cada tonelada producida de cemento se emite aproximadamente una tonelada de CO2. De hecho, la producción de cemento supone cerca del 5-10% de las emisiones de CO2 antropogénicas a la atmósfera. No es de extrañar, por tanto, que el desarrollo de cementos “verdes” sea considerado en un estudio prospectivo del MIT como uno de los 10 grandes retos tecnológicos de nuestra sociedad, junto con el avance en la ingeniería de células madre, o el de los implantes electrónicos, entre otros.

El desarrollo de cementos y materiales en base cemento “verdes” es precisamente el núcleo vertebrador del grupo Green Concrete de TECNALIA. Conformado por un equipo multidisciplinar de químicos, geólogos, físicos e ingenieros aglutina conocimientos en nanotecnología, valorización de residuos y/o diseño computacional, competencias clave a la hora de proponer nuevos productos en base cemento.

La investigación está avanzando en distintas líneas:

  • Nuevos métodos de producción de cementos avanzadas: si hiciésemos un símil con la cocina, pasaríamos de cocinar/producir cemento en horno, a hacerlo en ollas a presión (síntesis hidrotermal) o incluso mediante micro-ondas. Desde un punto de vista tecnológico el reto no es la viabilidad técnica, algo ya probado, sino que consiste en abaratar los procesos de producción para que sean competitivos.
  • Desarrollo de cementos con menor huella de carbono con una química distinta a los cementos tradiciones. El cemento normal es el llamado cemento Portland, cuyo componente principal es el silicato tricálcico, 3CaOSiO2 que se obtiene en el horno a 1450ºC tras una reacción 3CaCO3+ SiO2à3CaOSiO2+ 3CO2. La cuenta es sencilla; por cada mol de cemento (3CaOSiO2) producido se emiten 3 moles de CO2 a la atmósfera. Las alternativas ecológicas pasan por quitar calcio al cemento. Si se piensa un poco esa descalcificación equivale a aproximar aún más la composición del cemento a la de la corteza terrestre. Un ejemplo de estos cementos “verdes” es el cemento Belítico, cuya fase principal es el silicato bicálcico, 2CaOSiO2 y cuya descarbonatación “sólo” emite 2 moles de CO2 por mol de cemento producido. Aún más drástica es aproximación de los cementos geopolíméricos, una clase de cementos basados exclusivamente en aluminosilicatos (bien procedentes de arcillas o bien de residuos industriales como slag o cenizas volantes) que al no precisar de calizas prácticamente no emiten CO2. El problema es que a medida que nos acercamos a la estequiometría de la corteza terrestre, el endurecimiento del cemento se vuelve más lento (más geológico) por lo que necesitan “procesos de activación” para acelerar su cinética.
  • Nuevos activadores, acelerantes y/o adiciones que permiten “endurecer” más y más rápido el cemento tras su contacto con el agua. Con los cementos Portland pueden conseguirse las mismas prestaciones mecánicas con menos cemento, con el ahorro de CO2 que ello implica. O bien, acelerar la cinética de los cementos ecológicos (los Belíticos y geopoliméricos mencionados anteriormente) haciéndoles plenamente viables desde un punto de vista técnico. Las nanopartículas y la nanotecnología entran en este punto. Ahora mismo, el boom es el desarrollo de “nanoseeds”, esto es, nanopartículas que actúan como semillas (seeds) de nucleación. En cierto modo son los “anabolizantes” o la EPO de los materiales cementicios. Existen distintas aproximaciones para su síntesis, pero el reto técnico está, o mejor dicho estaba, en salvar los altos costes de producción, algo que repercutía negativamente en la penetración de estos nanomateriales en el mercado. Y digo que el reto estaba y ya no está, porque hemos descubierto y patentado un método de producción barato, a partir de residuos industriales, que permiten utilizar esta “epo” del cemento a costes de producción similares a los propios del cemento.
  • Nano-fibras y nanotubos. Los materiales en base cemento tienen propiedades notables a compresión pero se fracturan fácilmente ante esfuerzos de cizalladura. Por esta razón el hormigón se refuerza con acero. El problema es que el acero no es un buen ingrediente. Por una parte porque su producción es menos green que la del propio cemento. Por otra, porque el uso de acero afecta a la durabilidad del hormigón hasta tal punto que viene limitada principalmente por la corrosión del acero. Un sustituto sería el uso de nanofibras y nanotubos cementicios, que a diferencia de las fibras de acero son inmunes a la corrosión, amén de una compatibilidad mayor entre matriz y fibra. Las pruebas de concepto funcionan pero el escalado de la producción y la viabilidad económica están aún por demostrar.

Recientemente la “tecnología circular” y la cuantificación de lo “eco” a través de índices de sostenibilidad y análisis de ciclos de vida han entrado en el mundillo del cemento, rompiendo el paradigma clásico que prescribía lo que es eco y lo que no es. Si hasta hace poco queríamos reducir las emisiones de CO2 del proceso, distintos grupos de investigación y alguna iniciativa empresarial apuestan ahora por valorizar las emisiones de CO2; desde la reutilización del CO2 para hacer materiales cementicios prefabricados que endurecen por “carbonatación” hasta la posibilidad de secuestrar el CO2 en piscinas de agua marina en las que, mediante un proceso químico patentado se formarían depósitos de carbonato cálcico (arrecifes artificiales).

Dudo que sean la solución final al Green Concrete, habida cuenta de la eficacia de dichos procedimientos de captura del CO2, pero sí ejemplifican la nueva realidad que se avecina. Todo apunta a un nuevo escenario más complejo, donde la solución “Green” aparezca de manera local tras un análisis serio que tenga en cuenta la disponibilidad de recursos naturales y/o la existencia de corrientes de residuos industriales. En la actualidad, muchos subproductos industriales como escorias de acerías, cenizas volantes de las centrales termoeléctricas eran “absorbidas” por la industria cementera. Ahora las emisiones de las cementeras pueden ser a su vez absorbidas por compañías que valorizan este CO2. En breve las sinergias entre cementeras, acerías, incineradoras, minerías, químicas, etc. serán, o tendrían que ser, cada vez mayores.

El reto, no lo olvidemos, no es el Green Concrete, sino la Green Society.

Sobre Jorge Sánchez Dolado

Dr. en Ciencias Físicas por la Universidad del País Vasco, ha sido Visiting Professor del Departamento de Polímeros, Coloides e Interfases de la Universidad de Maine-CNRS (Francia) y ha sido Invited Researcher en distintos centros de investigación (MIT, Fraunhofer, TU Delft, EPFL, etc.). Coordinador de numerosos proyectos de investigación locales, nacionales e internacionales es evaluador de la Agencia Nacional de Evaluación y Prospectiva (ANECA), del programa FP7 de la Comisión Europea y del programa “Alberta Ingenuity Nano-works” de Canadá. “Lecturer” en el Máster “Nanotechnology” que dirigen el Departamento de Física de Materiales (UPV/EHU) y el Center of Materials Physics (CSICUPV/ EHU), es también miembro del comité técnico RILEM TC “NUM” (Numerical modelling of cement-based materials), así como del comité de dirección de la revista internacional “Materiales de Construcción”.

Es autor de más de 60 artículos peer-review en revistas de prestigio internacional, más de 100 comunicaciones en congresos internacionales, organizador de numerosos workshops, simposiums y cursos de carácter nacional e inventor de tres familias de patentes. Ha dirigido dos tesis doctorales, y en la actualidad dirige otras dos.

5 Comentarios

  1. Pingback: Freno al cemento
  2. Nosotros los constructores hemos olvidado la historia,si recordàsemos como los romanos construyeron y dejaròn para ka posteridad enormes monumentos que han perdurado más de 2000 años sin utilizar cemento,podrìamos nada màs que copiar sus maneras y formas de construir,ARGAMASA una mezcla de cal con arcilla en situ proporciona a un constructor el remplazar el cemento y poder construir con piedra ,madera,bambù, etc,

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  3. La verdad es que poco a poco se están viendo cada vez más estas rocas geo-miméticas ya que ofrecen un resultado mejor en cuanto a apariencia y resultado, a mi me convencieron desde el primer momento

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  4. De los mejores que hay actualmente en el mercado para luchar contra esos materiales que no son tan ecólogicos, algo contra lo que todos debemos de luchar para que sea una civilización más sostenible.

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