Como el material de construcción más utilizado en el planeta y uno de los mayores contribuyentes industriales del mundo al calentamiento global, el hormigón ha sido durante mucho tiempo un objetivo de reinvención. Los científicos de Stanford dicen que reemplazar uno de los ingredientes principales del concreto con roca volcánica podría reducir las emisiones de carbono de la fabricación del material en casi dos tercios.
El hormigón nos ha dado el Panteón de Roma, la Ópera de Sídney, la presa Hoover y un sinnúmero de monolitos en bloques. La roca artificial cubre nuestras ciudades y carreteras, es la base de los parques eólicos y los conjuntos de paneles solares, y se verterá por toneladas en proyectos de infraestructura respaldados por inversiones de recuperación de COVID en los Estados Unidos y en el extranjero.
Sin embargo, eso tiene un costo elevado para los esfuerzos para combatir el cambio climático, porque el cemento, el elemento aglutinante que se mezcla con arena, grava y agua para hacer concreto, se encuentra entre los mayores contribuyentes industriales al calentamiento global.
«El hormigón es omnipresente porque es uno de los materiales de construcción más asequibles, se manipula fácilmente y se puede moldear en casi cualquier forma», dijo Tiziana Vanorio, Profesora Asociada de Geofísica en la Universidad de Stanford.
Pero la producción de cemento desencadena hasta un 8 por ciento de las emisiones anuales de dióxido de carbono relacionadas con la actividad humana, y se espera que la demanda aumente en las próximas décadas a medida que la urbanización y el desarrollo económico impulsen la construcción de nuevos edificios e infraestructura. “Si vamos a reducir las emisiones de carbono a los niveles necesarios para evitar un cambio climático catastrófico, debemos cambiar la forma en que fabricamos cemento”, dijo Vanorio.
El problema del CO2 del hormigón comienza con la piedra caliza, una roca compuesta principalmente de carbonato de calcio. Para hacer cemento Portland, el ingrediente pastoso principal del hormigón moderno, la piedra caliza se extrae, se tritura y se cuece a alta temperatura con arcilla y pequeñas cantidades de otros materiales en hornos gigantes. Generar este calor generalmente implica quemar carbón u otros combustibles fósiles, lo que representa más de un tercio de las emisiones de carbono asociadas con el hormigón.
El calor desencadena una reacción química que produce grumos grises del tamaño de una canica conocidos como clinker, que luego se muelen en el polvo fino que reconocemos como cemento. La reacción también libera carbono que, de otro modo, podría permanecer encerrado en la piedra caliza durante cientos de millones de años. Este paso contribuye con la mayor parte de las emisiones de CO2 restantes de la producción de hormigón.
Con fondos de la Alianza de Energía Estratégica en el Instituto Precourt de Energía de Stanford, Vanorio y sus colegas de Stanford ahora están creando un prototipo de cemento que elimina la reacción química de eructos de CO 2 al hacer clinker con una roca volcánica que contiene todos los bloques de construcción necesarios, pero ninguno de carbono.
Imitando a la naturaleza
Como material de construcción más utilizado en el planeta, el hormigón ha sido durante mucho tiempo un objetivo de reinvención. Investigadores y empresas han encontrado inspiración para nuevas recetas en los arrecifes de coral , las conchas de langosta y las mazas con forma de martillo del camarón mantis. Otros están reemplazando parcialmente el clinker con desechos industriales como cenizas volantes de plantas de carbón o inyectando dióxido de carbono capturado en la mezcla como una forma de reducir el impacto climático del concreto. El presidente Joe Biden ha pedido que se amplíe la captura de carbono y el uso de combustible de hidrógeno en la fabricación de cemento para ayudar a reducir a la mitad las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos desde los niveles de 2005 para el 2030.
Crédito de la imagen: Cortesía de Shalev Siman-Sov, Siman-Tov et al., 2013.
Vanorio propone eliminar por completo la piedra caliza y comenzar en su lugar con una roca que podría extraerse en muchas regiones volcánicas de todo el mundo. “Podemos tomar esta roca, molerla y luego calentarla para producir clinker usando el mismo equipo e infraestructura que se usa actualmente para hacer clinker a partir de piedra caliza”, dijo Vanorio.
El agua caliente mezclada con este clinker bajo en carbono no solo lo transforma en cemento, sino que también promueve el crecimiento de largas cadenas de moléculas entrelazadas que parecen fibras enredadas cuando se ven bajo un microscopio. Existen estructuras similares en rocas cementadas naturalmente en ambientes hidrotermales, lugares donde el agua hirviendo circula justo debajo del suelo, y en puertos romanos de concreto, que han sobrevivido 2.000 años de asalto de agua salada corrosiva y olas violentas donde el concreto moderno típicamente se desmorona en décadas.
Al igual que las barras de refuerzo que se utilizan comúnmente en las estructuras de hormigón modernas para evitar el agrietamiento, estas diminutas fibras minerales combaten la fragilidad habitual del material. “Al hormigón no le gusta que lo estiren. Sin algún tipo de refuerzo, se romperá antes de doblarse bajo tensión”, dijo Vanorio, autora principal de artículos recientes sobre microestructuras en hormigón marino romano y sobre el papel de la física de rocas en la transición hacia un futuro con bajas emisiones de carbono. La mayor parte del hormigón ahora se refuerza a gran escala con acero. “Nuestra idea es reforzarlo a nanoescala aprendiendo cómo las microestructuras fibrosas refuerzan eficazmente las rocas y las condiciones naturales que las producen”, dijo.
Lecciones de curación y resiliencia
El proceso que Vanorio prevé para transformar una roca volcánica en concreto se asemeja a la forma en que las rocas se cementan en ambientes hidrotermales. A menudo se encuentran alrededor de volcanes y por encima de los límites de las placas tectónicas activas, las condiciones hidrotermales que permiten que las rocas reaccionen rápidamente y se recombinen a temperaturas no más altas que las de un horno doméstico, utilizando agua como un poderoso solvente.
Crédito de la imagen: Wikipedia
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Al igual que la piel curada, las grietas y fallas en la capa más externa de la Tierra se unen con el tiempo a través de reacciones entre los minerales y el agua caliente. “La naturaleza ha sido una gran fuente de inspiración para materiales innovadores que imitan la vida biológica”, dijo Vanorio. «También podemos inspirarnos en los procesos de la Tierra que permiten la curación y la resiliencia a los daños».
Desde ladrillos y metal forjado hasta vidrio y plásticos, la gente hace mucho tiempo que fabrica materiales utilizando las mismas fuerzas que impulsan el ciclo de las rocas de la Tierra: calor, presión y agua. Numerosos estudios arqueológicos y mineralógicos indican que los antiguos romanos pueden haber aprendido a aprovechar la ceniza volcánica para la receta de hormigón más antigua conocida al verla endurecerse cuando se mezcla naturalmente con agua. “Hoy tenemos la oportunidad de observar la cementación con la lente de la tecnología del siglo XXI y el conocimiento de los impactos ambientales”, dijo Vanorio.
En Stanford, se ha asociado con el Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales Alberto Salleo para ir más allá de imitar la geología y manipular sus procesos para obtener resultados específicos y propiedades mecánicas utilizando ingeniería a nanoescala. “Cada vez es más evidente que el cemento puede diseñarse a nanoescala y también debe estudiarse a esa escala”, dijo Salleo.
Aprovechando pequeños defectos
Muchas de las propiedades del cemento dependen de pequeños defectos y de la fuerza de las uniones entre los diferentes componentes, dijo Salleo. Las diminutas fibras que crecen y se entrelazan durante la cementación de rocas pulverizadas actúan como cuerdas tensoras, impartiendo fuerza. “Nos gusta decir que los materiales son como las personas: son sus defectos los que los hacen interesantes”, dijo.
Crédito de la imagen: Wikimedia Commons.
En 2019, una curiosidad inquebrantable sobre el antiguo hormigón que había visto entre las ruinas cuando era niño en Roma llevó a Salleo a acercarse a Vanorio, cuyo propio viaje a la física de las rocas comenzó después de experimentar el dinamismo de la corteza terrestre durante su infancia en una. ciudad portuaria napolitanao en el centro de una caldera donde se diseñó por primera vez el hormigón romano.
Desde entonces, Salleo ha llegado a ver el trabajo en un clínker bajo en carbono inspirado en procesos geológicos como un encaje lógico con los proyectos de su grupo relacionados con la sostenibilidad, como las células solares de bajo coste basadas en materiales plásticos y los dispositivos electroquímicos para el almacenamiento de energía.
“Pensar en un clínker bajo en carbono es otra forma de reducir la cantidad de CO2 que enviamos a la atmósfera”, dijo. Pero es solo el comienzo. “La Tierra es un laboratorio gigantesco donde los materiales se mezclan a altas temperaturas y altas presiones. ¿Quién sabe cuántas otras estructuras interesantes y útiles en última instancia existen? «
Vanorio también es Profesora Asociada (por cortesía) de ingeniería Civil y Ambiental. Salleo es miembro de Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai, y está afiliado al Instituto Precourt de Energía.
Otros autores del artículo sobre microestructuras en hormigón marino romano incluyen a Jackson MacFarlane, PhD ’21 y Paulo Monteiro de UC Berkeley.
Los autores del artículo sobre el papel de la física de rocas en un futuro con bajas emisiones de carbono incluyen a los estudiantes de doctorado en geofísica Margariete Malenda y Jaehong Chung, y los investigadores posdoctorales en geofísica Jihui Ding y Saied Mighani.
Fuente: Stanford Earth Matters magazine.
Artículo original: ‘For a low-carbon cement recipe, Stanford scientists look to Earth’s cauldrons‘. Josie Garthwaite. June 09, 2021.
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Crédito: Tiziana Vanorio / Stanford University.
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“Esto implica la existencia de un proceso natural en el subsuelo de Campi Flegrei que es similar al que se utiliza para producir hormigón”, dijo Tiziana Vanorio, Geofísica Experimental de la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford.
- Volcanic rocks resembling Roman concrete explain record uplift. Ker Than. Stanford Earth Matters magazine. July 09, 2015.
Crédito del video: Kurt Hickman / Stanford University.
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- Volcanoes, archaeology and the secrets of Roman concrete. Josie Garthwaite. Stanford Earth Matters magazine. February 26, 2019.
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Crédito: ESA – S. Pilehvar.
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