Gracias al desarrollo de un nuevo modelo predictivo para hormigones de bajo carbono, que incorporan el doble de la cantidad de cenizas volantes de acuerdo con la normativa australiana, científicos del RMIT University lograron generar un hormigón más “verde”, asegurando además un desempeño excepcional durante toda su vida útil.
Uno de los desafíos que tiene la industria del cemento y del hormigón y que se aborda tanto a escala global (por ejemplo, en la Hoja de Ruta que tiene la Global Cement and Concrete Association, GCCA) como particular (en la “Hoja de Ruta Net Zero 2050”, documento al que suscribieron las principales cementeras de Chile) es reducir la huella de CO2 del cemento y del hormigón con diversas estrategias, siendo una de ellas el uso de materiales cementicios suplementarios a la hora de producir el clínker -la materia prima del cemento- que es, en definitiva, el proceso que mayor emisión de CO2 genera en de la producción del cemento.
El uso de este tipo materiales no es nuevo. En Chile, el uso de adiciones como puzolanas y escorias de alto horno en el cemento data de mediados del siglo XX. En otros países, el uso de estos materiales recién se está incorporando en la producción del cemento, precisamente, para reducir la huella de CO2 del material, siendo éste el mayor impacto que tiene la incorporación de este tipo de adiciones, aunque no el único.
Y es que el uso de materiales cementicios suplementarios y su porcentaje de incorporación incide directamente en las características del hormigón. Por ejemplo, la escoria de alto horno permite, entre otras cosas, mejorar la durabilidad y trabajabilidad del hormigón. Además, otro de los grandes beneficios que plantea el uso de estas adiciones en particular es que incorporar aspectos de circularidad al ecosistema productivo del cemento y del hormigón, al utilizar residuos de otras industrias en la producción del material.
En ese sentido, científicos del RMIT University de Australia, liderados por Chamila Gunasekara, Ph.D en Materiales de Construcción Avanzados de la misma casa de estudios, desarrollaron un nuevo modelo que permite reciclar el doble de la cantidad de ceniza volante de carbón para la producción de cemento que generalmente se establece en ese país, mejorando tanto las características sustentables del hormigón que se produce con este tipo de material cementicio suplementario, además de obtener un mejor desempeño del material a lo largo de su vida útil.
“Cenizas de estanque”: Un nuevo material para hormigones más sostenibles
Uno de los principales desafíos para la investigación estuvo en cómo reciclar, de manera eficiente, las grandes cantidades de ceniza volante que genera la producción de carbón en Australia. Y es que, de acuerdo con los científicos del RMIT, sólo en el año 2022 se generaron más 1,2 billones de toneladas de este subproducto de la industria del carbón, lo que representa alrededor de un quinto de todo el residuo del país.
Este dato clave llevó a que el grupo que lidera el Dr. Gunasekara desarrollase nuevos modelos que incrementen la cantidad de ceniza volante de carbón en la producción del cemento, para así generar hormigones más “verdes”. La idea es elevar la cantidad de cenizas volantes de carbón y que sustituya un 80% del cemento, cuando usualmente, en el país oceánico el reemplazo es de alrededor de un 40%. Esto, dice Gunasekara, representa un avance significativo en el desarrollo de hormigones de baja huella de CO2.
“Nuestra incorporación de nanoaditivos para modificar la química del hormigón permite agregar más cenizas volantes sin comprometer su desempeño”, aseguró el científico. Incluso, gracias al desarrollo de ensayos en laboratorio, este nuevo modelo permite añadir aquellas cenizas volantes que se depositan en los llamados “estanques de cenizas” (estanques de almacenamiento de lodo de carbón de las plantas de energía) y que son de menor calidad, con un preprocesamiento mínimo.
Para probar esto, el equipo del RMIT realizó ensayos en laboratorio con probetas de hormigón con cenizas volantes y con cenizas provenientes de estos estanques, las que se fabricaron bajo los estándares que plantea la normativa australiana para cumplir tanto con los requisitos de desempeño para ingeniería como los ambientales.
“Es emocionante que los resultados preliminares muestren desempeños similares entre ambas probetas, lo que potencialmente abre las puertas a un recurso completamente nuevo y enormemente subutilizado para el reemplazo del cemento”, dijo Gunasekara.
Desarrollo de un modelo predictivo
El siguiente paso de la investigación fue el desarrollo de un modelo que logre predecir el comportamiento de este hormigón con cenizas volantes de baja calidad. Para ello, los científicos del RMIT se asociaron al Dr. Yogarajah Elakneswaran, profesor asociado en la Universidad de Hokkaido, en Japón. Y es que uno de los desafíos de esta investigación estaba en determinar cómo sería el desempeño de un hormigón con este tipo de cenizas que, como describió el Dr. Gunasekara, son totalmente nuevas en el ámbito de la construcción.
“Creamos un modelo basado en la física para predecir cómo este hormigón de bajo carbono se desempeñará en el tiempo, lo que nos ofrece oportunidades para realizar ingeniería inversa y optimizar los diseños de mezcla a partir de conocimientos numéricos”, explicó el Dr. Yuguo Yu, de la Escuela de Ingeniería del RMIT, quien también forma parte de este desarrollo.
Según explica el Dr. Yu, con este modelo es posible analizar cómo interactúan los distintos ingredientes presentes en este nuevo hormigón de bajo carbono a través del tiempo. “Podemos ver, por ejemplo, como los nanoaditivos de fraguado rápido en la mezcla actúan como un refuerzo del desempeño en las primeras etapas del fraguado, compensando por las grandes cantidades de cenizas volantes y cenizas de estanque de fraguado más lento en nuestras mezclas”, aseguró el Dr. Gunasekara.
De acuerdo con los investigadores, este modelo predictivo podría aplicarse a otros materiales, lo que significaría un paso decidido hacia la simulación asistida digitalmente tanto en el diseño de materiales -el hormigón, en este caso- como también en el diseño y construcción de infraestructura. Por lo mismo, los investigadores están en conversaciones con ayuntamientos locales para incorporar este novedoso hormigón de bajo carbono en alguno de sus proyectos, el que tendría múltiples aplicaciones.
