Un equipo de investigadores formado por académicos de la Universidad de Princeton y la Universidad de São Paulo desarrollaron un nuevo tipo de cemento a partir del reciclaje del hormigón de demolición que con un proceso térmico, tendría una nueva vida útil y representaría una alternativa baja en CO2, sin pérdida de resistencia.
La industria del cemento y del hormigón enfrenta el desafío de reducir su huella ambiental sin sacrificar la calidad y resistencia de sus productos. Esto ha llevado a diversos desarrollos tanto en la comunidad científica como dentro del mismo sector, con la finalidad de buscar alternativas que disminuyan el impacto ambiental de sus procesos.
Es en ese contexto que un equipo internacional de investigadores de la Universidad de São Paulo y la Universidad de Princeton elaboró una solución prometedora: un cemento reciclado de baja emisión de carbono que podría transformar la industria.
Una segunda vida para los residuos de construcción
El estudio, publicado en la revista científica ACS Sustainable Chemistry & Engineering bajo el título «Engineered Blended Thermoactivated Recycled Cement: A Study on Reactivity, Water Demand, Strength-Porosity, and CO₂ Emissions», presenta un enfoque innovador para reciclar los finos provenientes del reciclaje de hormigón, los que contienen un alto porcentaje de cemento hidratado, transformándolos en una alternativa sostenible y de bajo carbono.
«Los residuos de construcción típicamente terminan en un vertedero o, si se reciclan, se utilizarán en aplicaciones de baja exigencia como bases de pavimentos», explica el líder de la investigación, Sérgio Angulo, profesor de Ingeniería de Construcción Civil y Urbana en la Universidad de São Paulo. «Es emocionante demostrar que podemos, de hecho, reciclar estos residuos para una aplicación de alta calidad».
La magnitud del problema que abordan estos investigadores es considerable. Tan solo en Estados Unidos, en 2018, la cantidad total de residuos de construcción y demolición fue más del doble que la de residuos domésticos. A nivel mundial, se generan anualmente alrededor de cinco gigatoneladas de residuos de hormigón, de las cuales aproximadamente una gigatonelada de polvo de cemento podría ser recuperada por la industria, de acuerdo con las estimaciones del equipo investigador.
La activación térmica como elemento clave del proceso
En el núcleo del enfoque de reciclaje se encuentra un proceso térmico específico. Después de chancar el hormigón hasta convertirlo en un polvo fino, el equipo lo calentó a 500 °C. Esta temperatura resultó ser crucial: lo suficientemente alta para deshidratar el polvo de cemento y restaurar sus propiedades como aglutinante, pero lo suficientemente baja para evitar la descomposición de los componentes carbonatados en el material, lo que conduciría a emisiones adicionales de dióxido de carbono.
Este proceso, denominado «termoactivación», permite que el cemento recupere parte de su reactividad original. Sin embargo, el cemento termoactivado por sí solo presenta desafíos técnicos importantes. Su alta área superficial y demanda de agua durante el proceso de mezcla conducen a un material final con alta porosidad y menor resistencia, lo que limitaría su aplicación práctica en la construcción.
La innovación clave del equipo fue combinar este cemento reciclado termoactivado con pequeñas cantidades de cemento Portland finamente molido o caliza. El resultado fue sorprendente: el aglutinante de cemento resultante demostró incrementos de resistencia y trabajabilidad equivalentes a los logrados con cementos tradicionales.
«Anteriormente, si solo usabas cemento reciclado termoactivado, no funcionaba lo suficientemente bien como para ser un reemplazo aceptable», señala la coautora Claire White, profesora de ingeniería civil y ambiental y del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente de Princeton. «Pero al reducir el área superficial y optimizar el empaquetamiento de partículas en la microestructura del material, obtenemos algo que se comporta de manera bastante similar a un cemento tradicional».
Resultados prometedores en resistencia y emisiones
Los investigadores demostraron que las mezclas que contienen hasta un 80% de este cemento reciclado eran tan resistentes como el cemento convencional por sí solo, mientras generaban solo una fracción de las emisiones de carbono.
En términos de emisiones, los resultados son igualmente impresionantes. El equipo estima que su cemento emite entre 198 y 320 kilogramos de dióxido de carbono por tonelada métrica, hasta un 40% menos de emisiones que una alternativa comercialmente disponible de bajo carbono conocida como cemento de arcilla calcinada con caliza (LC3).
Si se implementara completamente y se desplegara en coordinación con otras tecnologías emergentes que reemplazan el cemento, los investigadores estimaron que las emisiones asociadas a la producción del cemento podrían reducirse drásticamente.
«El avance aquí es que ahora es posible obtener propiedades a corto y largo plazo que son esencialmente las mismas que el cemento tradicional por sí solo con una alternativa de bajo carbono compuesta abrumadoramente por materiales reciclados», destaca White.
El mecanismo detrás de la ganancia de resistencia
La ganancia de resistencia se produce porque el cemento adicional finamente molido y la caliza llenan los poros que se existen en el cemento reciclado con un material distinto al agua, reduciendo así la demanda general del recurso hídrico e incluso formando nuevos productos después del proceso de mezcla, llamados productos de hidratación, que aumentan la resistencia del material.
Mateus Zanovello, estudiante de doctorado que trabaja con Angulo en la Universidad de São Paulo y primer autor del estudio, menciona que, durante el desarrollo de la investigación, las muestras evidenciaron de manera clara las diferencias entre el cemento reciclado por sí solo, el cemento tradicional y la mezcla optimizada entre cemento reciclado y cemento adicional finamente molido, tanto antes como después de la adición de agua.
En ese sentido, la mezcla de cemento optimizada demuestra requisitos de agua similares, ganancia de resistencia y trabajabilidad al cemento tradicional mientras genera una fracción de las emisiones de carbono.
Hacia una economía circular del carbono
Dado que el proceso reutiliza los residuos de construcción, los investigadores afirman que el proceso podría significar un impulso importante en el sector para transitar hacia una economía más circular de sus procesos, al mismo tiempo que se generan menos emisiones de carbono que otras alternativas emergentes de cemento de bajo CO2.
«Con esta tecnología, se puede pensar en ciudades mucho más circulares que hoy», señala Angulo. «Los materiales de la infraestructura demolida pueden usarse directamente en nuevos proyectos de construcción».
El estudio también destaca una ventaja ambiental crítica: el mecanismo de deshidratación-rehidratación responsable de la ganancia temprana de resistencia opera a 500 °C, muy por debajo de los 900 °C requeridos para descomponer los carbonatos en la producción tradicional de clinker. Esto permite ganancias significativas de rendimiento sin la calcinación de alto carbono asociada con la producción convencional de cemento.
Mirando hacia el futuro, la investigación sugiere que el uso generalizado de estos cementos reciclados diseñados —junto con la utilización completa de materiales cementantes suplementarios y residuos de cemento carbonatados— podría reducir fuértemente las emisiones de la industria del cemento.
Desafíos para la implementación a gran escala
A pesar de estos beneficios, Angulo y White señalaron varios obstáculos tecnológicos, económicos y políticos para la implementación a gran escala de la tecnología.
Por ejemplo, explicaron que escalar el cemento reciclado requeriría un mejor enfoque para clasificar y procesar los residuos de demolición, uno que considere la circularidad en lugar del vertedero. La tecnología también sería más práctica en ciudades maduras con un suministro confiable de edificios envejecidos en lugar de áreas en rápido desarrollo con edificios principalmente nuevos.
Por último, los códigos de construcción desarrollados cuando el cemento tradicional era el aglutinante dominante para la producción de hormigón deberían actualizarse, alejándose de los estándares «basados en recetas» que especifican ciertas composiciones de cemento hacia aquellos que se centran en requisitos basados en el desempeño.
Angulo señaló que varios países de Europa y América Latina ya han comenzado a adoptar tales estándares basados en el desempeño, lo que podría permitir el uso no solo de los cementos reciclados que estudia, sino también de una amplia gama de alternativas de bajo carbono.
«En Brasil, se está comenzando a implementar estándares basados en el desempeño para envolventes de edificios no estructurales y pisos», dijo Angulo. «Actualizar los códigos de construcción es importante para permitir la innovación en el sector de la construcción».
Una colaboración internacional fructífera
El trabajo sobre cementos reciclados es resultado de una colaboración formada cuando Angulo llegó a Princeton como investigador visitante en el grupo de White durante un año, comenzando en 2023.
Para Angulo, aprovechar la experiencia de White en técnicas de caracterización como la dispersión total de rayos X le ha ayudado a comprender mejor los mecanismos impulsores detrás de los materiales que estudia.
Por ejemplo, White y Angulo realizaron experimentos durante la visita de Angulo que les ayudarán a comprender mejor cómo cambia la estructura atómica del material a medida que se somete a activación térmica. Esto les ayudará a responder preguntas sobre la durabilidad del cemento reciclado durante múltiples ciclos de uso y si es realmente un material «circular».
Para White, la colaboración le permitió trabajar en una clase de cementos que nunca antes había estudiado, a pesar de su amplia experiencia en hormigón de bajo carbono. Incluso más allá del proyecto de cemento reciclado, White dijo que la visita de Angulo proporcionó a su grupo una perspectiva totalmente nueva sobre muchos de sus proyectos, incluso aquellos que parecen alejados del mundo de los cementos reciclados.
Implicaciones para la industria global del cemento
La industria del cemento se encuentra bajo una presión creciente para reducir su huella de carbono. El cemento Portland tradicional requiere la calcinación de piedra caliza a temperaturas extremadamente altas (aproximadamente 1.450 °C), un proceso que libera grandes cantidades de CO2 tanto de la combustión de combustibles como de la descomposición química de la piedra caliza misma.
De acuerdo con los datos del estudio, los cementos reciclados diseñados (eRCs) desarrollados por el equipo producen entre 198 y 320 kg de CO2 por tonelada, lo que representa una reducción de emisiones significativa respecto a la situación actual. En Chile, por ejemplo, la producción de cemento emite alrededor de 600 kg de CO2 por tonelada de cemento.
Esta diferencia es particularmente significativa considerando la escala de la industria del cemento. Con una producción global anual de aproximadamente 4 gigatoneladas, incluso una reducción modesta en la intensidad de carbono por tonelada podría traducirse en reducciones significativas de emisiones a nivel mundial.
El papel de la microestructura en el rendimiento del cemento
Un aspecto interesante del estudio es la atención detallada a la microestructura del cemento reciclado y cómo influye en su rendimiento. Los investigadores utilizaron técnicas avanzadas como porosimetría por intrusión de mercurio para estudiar la porosidad y la distribución del tamaño de poro en diferentes etapas de curado (1, 7 y 28 días).
Encontraron que los componentes de cemento reciclado (RC) y cemento micronizado (MC) interactuaban sinérgicamente en las mezclas de eRC. El RC contribuyó a una hidratación rápida en las primeras etapas, mientras que el MC ayudó a reducir los grandes vacíos capilares con el tiempo, especialmente después del primer día de curado. Esta combinación resultó en ganancias de resistencia tanto tempranas como a largo plazo, haciendo que los eRCs sean viables para uso general en construcción.
Perspectivas futuras y próximos pasos
Aunque los resultados son prometedores, los investigadores reconocen que se necesita más trabajo para llevar esta tecnología a la implementación generalizada. La investigación futura deberá abordar la durabilidad a largo plazo, validar el uso de residuos de cemento del mundo real (en lugar de muestras preparadas en laboratorio) y explorar aplicaciones a escala real.
También será crucial una integración más amplia de estrategias de reciclaje como la carbonatación y la termoactivación para escalar esta solución. Los investigadores sugieren que un enfoque holístico que combine múltiples estrategias de reducción de carbono podría maximizar el impacto ambiental positivo.
«Estamos apenas arañando la superficie de lo que es posible con los materiales de construcción circulares», comentó Angulo. «Imagino un futuro donde los edificios se diseñen desde el principio pensando en su eventual desmontaje y reutilización, creando un ciclo verdaderamente circular para los materiales de construcción».
Un nuevo avance hacia la construcción sostenible
El desarrollo de cementos reciclados de bajo carbono representa un paso significativo hacia la sostenibilidad en la industria de la construcción. Al dar una segunda vida a los materiales de construcción después de la demolición, este enfoque no solo reduce las emisiones de carbono sino que también aborda el creciente problema de los residuos de construcción y demolición.
Como señaló Claire White: «El salto adelante aquí es que ahora puedes obtener propiedades a corto y largo plazo que son esencialmente las mismas que el cemento Portland por sí solo con una alternativa de bajo carbono compuesta abrumadoramente por materiales reciclados».
Si se implementa ampliamente, esta tecnología podría contribuir significativamente a los esfuerzos globales para mitigar el cambio climático mientras satisface la demanda continua de materiales de construcción duraderos y de alto rendimiento. El camino hacia la implementación generalizada puede estar lleno de desafíos, pero el potencial de reducción de emisiones hace que valga la pena superar estos obstáculos.
