EMISIONES DE DIÓXIDO DE CARBONO Y ECOEFICIENCIA DEL HORMIGÓN TRADICIONAL Y MODIFICADO. REVISIÓN DE LITERATURA

CARBON DIOXIDE EMISSIONS AND ECO-EFFICIENCY OF TRADITIONAL AND MODIFIED CONCRETE. LITERATURE REVIEW

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.

Dada la importancia del hormigón en el desarrollo de la industria de la construcción (infraestructura de puentes, edificios, terminales aéreos y marítimos, carreteras, entre otros), este, es considerado el segundo material más utilizado después del agua, con un consumo promedio de 1 m3 por persona al año [1]. Su elevado consumo está asociado con su alto rendimiento y elevada versatilidad, así como la disponibilidad de precursores primas para su elaboración [2]. La industria del hormigón contribuye de manera significativa en el aumento del producto interno bruto y la generación de puestos de trabajo [3]. La industria del hormigón demanda alrededor del 50% de la energía mundial [4], genera 30% del volumen de residuos [5], consume 15% del uso de agua dulce [6] y emite alrededor del 33% del CO2 a nivel mundial [7].

La composición del hormigón depende principalmente de su uso, sin embargo, los materiales precursores son entre otros, el cemento (alrededor del 15%), los agregados (finos, entre el 25% y el 30% y gruesos, entre el 75% al 70% y el agua (aproximadamente el 22%) [8]. A pesar de que el cemento solo representa alrededor del 15%, este, es el mayor emisor de CO2, durante la preparación del hormigón, generando un impacto ambiental negativo en lo relacionado con esta industria [9]. El cemento es un material aglutinante de alta energía incorporada, con una emisión de dióxido de carbono, que oscila entre los 0.66 Ton y 0.82 Ton de CO2 emitido por cada tonelada elaborada, esta emisión representa aproximadamente del 6% al 7% de las emisiones antropogénicas de CO2 [10].

Como estrategia amigable con el medio ambiente, se ha propuesto el uso de materiales cementantes alternativos al cemento [11], que permitan reducir el dióxido de carbono emitido y generar estrategias de aprovechamiento de diferentes subproductos de la industria y la agroindustria [12]. En general, estos residuos no cuentan con planes adecuados de eliminación y se disponen de manera inadecuada en vertederos, convirtiéndose en una preocupación ambiental creciente [13]. El aprovechamiento de materiales de desecho y subproductos de la industria tiene innumerables beneficios, entre ellos: 1) la preservación de los recursos de la naturaleza, 2) la disminución del uso de los recursos energéticos y 3) la resolución de problemas de gestión de desechos [14].

Diferentes residuos como cenizas volantes [15], [16], escoria triturada de alto horno [17], escoria de acero [18], metacaolín [19], polvo de vidrio [20], [21], y cenizas preparadas a partir de cascarilla de arroz [22], [23], cascara de huevo [24], [25], [26], bagazo de caña [27], [28], [29] cascara de palma de aceite [30], [31], [32], entre otros, han sido utilizados como materiales cementantes sustitutos del aglutinante en la producción de hormigones.

Los diferentes reportes afirman que las características del hormigón modificado dependen de la naturaleza física y química de los sustitutos, el tipo de sustituto, y su proporción de reemplazo dentro de la mezcla [33]. Se encontró que los reportes han estado centrados principalmente en el estudio de: 1) la microestructura (mediante estudios de microscopia electrónica, tanto de barrido como de trasmisión), 2) de la naturaleza cristalina (por análisis de difracción de rayos X) y 3) de las propiedades físicas durante la preparación de la mezcla y, 4) de las características mecânicas después del fraguado del hormigón modificado.

Dada la importancia que tiene el uso de diferentes sustitutos del cemento, se ha reportado un aumento en la cantidad publicaciones en esta temática, los cuales, cubren información sobre las propiedades de los residuos y de los atributos contrastantes del hormigón fresco y endurecido (propiedades mecánicas y durabilidad, principalmente). La Figura 1 muestra las publicaciones asociadas con hormigones preparados con residuos.

Fig. 1
Número de publicaciones en Scopus en los últimos 20 años sobre hormigones modificados

Tal como aprecia en la Figura 1, entre el año 2000 y 2021, se presenta un crecimiento en la cantidad de trabajos relacionadas con la preparación de hormigones modificados. Se encontraron un total de 11062 artículos (palabras claves: modified concrete). De la Figura 1 se aprecia que, de 148 articulos reportados en el año 2000, se pasó a publicar en promedio 1057 artículos en los últimos cinco años (2017-2021), dando cuenta de la importancia de esta temática de investigación. Asimismo, de la Figura 1 se aprecia el aumento en la cantidad de reviews (sistemáticas y del estado del arte sobre hormigones modificados), sin embargo, no se encuentran revisiones que aborden el efecto que tiene la incorporación de diferentes residuos sobre el CO2 que se emite durante la elaboracion de hormigones modificados, por tanto, se hace necesario abordar revisiones de literatura, que permitan estrechar esta brecha del conocimiento, y aportar información valiosa para futuros estudios en esta línea de investigación. En la Figura 2, se presenta de manera porcentual, el número de reportes por tipo de sustituto publicados en el año 2021.

Fig. 2
Porcentaje de publicaciones sobre hormigón modificado por tipo de sustitución en 2021

De acuerdo con la Fig. 2, del número total de estudios publicados en 2021, el porcentaje más alto abordó la preparación de hormigón modificado incorporando cenizas volantes (30%), residuos de minería (10%), residuos de vidrio (7%), escoria de alto horno (7%), residuos de arena de fundición (7%) y residuos de mármol (7%), comportamiento relacionado con la naturaleza puzolánica de estos materiales [34]. Ante la urgente situación de reducir el CO2 que se emite, es fundamental comprender el nivel de emisiones de CO2 de los hormigones modificados. El objetivo de esta revisión es identificar la contribución de los materiales sustitutos en las emisiones de dióxido de carbono, aclarar las fuentes de emisión y los principales contribuyentes, y proporcionar una base para un mayor desarrollo de medidas de reducción efectivas.

Tradicionalmente el hormigón ha sido elaborado a partir de agregados y cemento, generando elevadas emisiones de dióxido de carbono; la utilización de residuos de diversas procedencias tienen el potencial para reducir dióxido de carbono emitido, sin embargo, no se han encontrado revisiones de literatura que den cuenta del estado actual de los reportes acerca del cálculo y el análisis del CO2 que se emite en la preparación de concretos tradicionales y modificados y de esta manera llenar el vacío existente en este tópico de investigación. Este artículo de revisión está estructurado en tres partes: La primera parte describe el cálculo de las emisiones de dióxido de carbono, la segunda parte muestra los resultados encontrados por diferentes autores, en la tercera parte se discuten los resultados encontrados por los autores y se plantean las brechas de conocimiento y las áreas de investigaciones futuras en la evaluación del CO2 emitido durante la preparación de hormigón tradicional y modificado. La presente revisión sistemática de literatura aborda los retos que enfrenta la industria del hormigón frente a la cuantificación del CO2 total emitido, convirtiéndose en un parámetro fundamental para evaluar el impacto ambiental en la producción del hormigón.

En este sentido, este trabajo se desarrolló en cuatro etapas: La primera etapa se centró en identificar los trabajos reportados en la base de datos Scopus en el período comprendido entre 2000 y 2021 centrados en la emisión de dióxido de carbono en hormigones (concrete, carbon dioxide emissions) como palabra clave general, para la búsqueda, se utilizó el conector AND. Seguidamente, en la segunda etapa, los artículos resultantes se exploraron más en detalle utilizando palabras clave más específicas, que incluyeron: 1) cement, concrete, carbon dioxide emissions (n = 1136 artículos), 2) cement, concrete, carbon dioxide emissions wastes (n = 400 artículos) y 3) cement, concrete, carbon dioxide emissions equivalent (n = 70 artículos). A continuación, los artículos seleccionados se exploraron teniendo en cuenta las palabras clave (keywords) y el resumen (abstract). La tercera etapa se centró en los trabajos que fueron seleccionados en torno al CO2 emitido durante la elaboración del hormigón modificado. En consecuencia, la última etapa, permitió la selección de 23 artículos de los revisados inicialmente, de estos, se extrajo el reporte del CO2 que se emitió. Además, con los datos reportados por los autores, se calculó la ecoeficiencia (Ef), Ecuación 1, como indicador para evaluar el efecto del uso de sustitutos en el concreto sobre el beneficio ambiental.

(1)

Donde Ef es la ecoeficiencia (kg CO2/ MPa), ECO2 son las emisiones totales de CO2 (kg CO2) y fc´ es la resistencia a la compresión (MPa).

2.2 Emisiones de CO2 durante etapa de producción de las materias primas

Una manera general de calcular las emisiones de CO2 que se genera durante la producción del hormigón puede calcularse tal como se muestra en la ecuación 2.

(2)

Donde CO2m, describe los kgCO2/m3 producidos durante la etapa de producción de las materias primas, Qi detalla los kg/m3 de material utilizado y Fim hace alusión al factor de emisión de cada material durante la etapa de producción [41]. Los factores de emisión de cada uno de los precursores utilizados en la preparación de hormigones modificados. La tabla 1 muestra los valores de estos factores.

Tabla 1
Factores de emisión de precursores del hormigón

2.3 Emisiones de dióxido de carbono durante la etapa de transporte

La evaluación de las emisiones de CO2 asociadas con la etapa de transporte, totalizan la cantidad total y la carga de cada vehículo utilizado durante el transporte de materiales, así como la distancia y la eficiencia del combustible utilizado, algunos estudios incluyen los datos de velocidad de los vehículos y las condiciones de tráfico. La ecuación 3 describe de manera general, el cálculo del CO2 producido durante la etapa de transporte [51].

(3)

Donde CO2T, representa los kilogramos de CO2 por cada m3 generados durante la etapa de transporte, Mi denota la cantidad de material utilizados en el hormigón (kg/m3), Lt es la carga de material (toneladas), d es la distancia de transporte [km], e es la eficiencia del combustible [km/L] y FiT representa el factor de emisión de CO2 [kg-CO2/L] del recurso energético utilizado.

2.4 Emisiones de dióxido de carbono durante la etapa de producción

El dióxido de carbono contabilizado en esta etapa tiene en cuenta la cantidad de energía utilizada para producir cada m3 de concreto, esta etapa tiene en cuenta el consumo energético de todos los equipos para la carga, el almacenamiento y el transporte in situ de los materiales, así como el consumo energético durante la preparación de la mezcla, además se incluyen los valores relacionados con la potencia, la capacidad y la cantidad total de energía eléctrica utilizada [41]. La ecuación 4 describe el cálculo de las emisiones de dióxido de carbono.

(4)

Donde CO2P, representa los KgCO2/m3 que se producen durante la etapa de preparación del hormigón, Ei denota el uso anual de energía [unidad/año], ya sea Lt/año (para el caso de la gasolina o el diesel), m3/año (para el caso del licuado de petróleo) o Kwh/año (para el caso de la energía eléctrica). R denota la producción anual de concreto [m3/año] y FiP representa el factor de emisión de CO2 [kgCO2/unidad] del recurso energético (combustible fósil o electricidad) [51].

La tabla 2 muestra el título, propósito y resultados encontrados de los diferentes artículos.

Esta revisión de la literatura recopiló informes de diferentes autores que estimaron la emisión de CO2 como indicador de impacto ambiental en concreto tradicional y modificado. Los resultados reportados en la Tabla 2 muestran que durante la preparación de concreto modificado, la reducción de las emisiones es más significativa cuando se reemplaza el cemento que los agregados. De hecho, la sustitución del cemento disminuye entre un 25% y un 75% de las emisiones, mientras que los áridos disminuyen entre un 4% y un 25% las emisiones. Esta tendencia está relacionada con una diferencia considerable en los factores de emisión de cada material; este factor es mayor para el cemento (0.83 kgCO2/m3) [52], que para los agregados, reportado en 0.028 kgCO2/m3 y 0.039 kgCO2/m3 para los finos y los gruesos, respectivamente [53], esto evidencia que el uso de agregados tiene poca influencia en la reducción de las emisiones de carbono en el proceso de fabricación del hormigón.

La diferencia en los factores de emisión de CO2 está asociada con la tendencia en el número de estudios científicos centrados en informar las emisiones de CO2 en el hormigón tradicional y modificado. La Figura 3 muestra el número de artículos por tipo de precursor sustituido en la preparación de hormigones modificados.

Fig. 3
Porcentaje de artículos con reportes de las emisiones de CO2 clasificadas por tipo de material precursor.

Tabla 2
Titulo , propósito, resultados reportados y referencia, en la preparación de hormigones modificados con reportes de la emisión de CO2.

Tal como se puede apreciar en laFigura 3 alrededor del 57% de los artículos incluidos en esta revisión, reportaron el CO2 que se emite en hormigones modificados con reemplazo del cemento, mientras que solo el 18% se enfocaron en el reemplazo de la grava y 25% en el reemplazo de la arena. Asimismo, se encontró que del total de artículos reportados en la tabla 2, gran parte de ellos, alrededor del 47%, informan la preparación de hormigones con residuos inorgánicos, principalmente cenizas volantes y escorias de alto horno. Esta tendencia está asociada a una mejora sustancial de las propiedades mecánicas del hormigón modificado, así como a un mayor porcentaje de reducción de CO2.

De la Tabla 1, se observa que cuando el 80% (entrada 11) y el 70% (entrada 3) del cemento se reemplazan por escoria de alto horno, los autores informaron los valores de reducción más altos en las emisiones de dióxido de carbono, que fueron del 70% y 60% en comparación. al hormigón tradicional. El factor de emision de la escoria (0.0265 kg/m3) valor inferior al reportado para el cemento (0.83 kg/m3) se correlaciona con la menor emisión encontrada en los hormigones modificados con este sustituto.

A partir de los estudios presentados en la Tabla 2, se deduce que la reducción de las emisiones de dióxido de carbono depende principalmente de tres factores fundamentales: 1) Los parámetros bajo los cuales se diseña la mezcla, principalmente la proporción entre el agua y el cemento y la resistencia a compresión; 2) porcentaje de sustitución de materiales tradicionales; y 3) tipo de sustituto empleado.

En términos de condiciones de diseño, un aumento en la relación agua/cemento se relaciona con una disminución de la cantidad de CO2 emitido. En general, la relación agua/cemento incide positivamente en el total de CO2 emitido. Además, los hormigones que incorporan sustitutos del cemento exhibieron valores más bajos de la ecoeficiencia, lo que significa una mejor sostenibilidad. Con respecto al porcentaje de sustitución de materiales tradicionales afecta sustancialmente el CO2 que se genera. Celik et al [56] (Entrada 4) informaron que, en concreto preparado con 30% y 50% de cenizas volantes como sustituto del aglutinante, los valores del CO2 emitido fueron 412 y 311 kg CO2/m3, respectivamente. Estos autores informaron que el concreto preparado con 15% y 25% de piedra caliza en reemplazo del cemento demostró valores de emisión de 487 y 434 kg CO2/m3, respectivamente. Se ha informado que el hormigón con reemplazos del 50%, 60% y 70% del cemento con cenizas de combustible de aceite de palma (Entrada 7) presentó valores de emisión de 310, 280 y 250 kg de CO2/m3. Hu et al. (Entrada 21) informaron que el concreto modificado que reemplazó un 5%, un 10% y un 15% con ceniza de cáscara de arroz como material cementante demostró valores de emisión de dióxido de carbono de 346,22, 331,71 y 317,21 kgCO2/tonelada de concreto. respectivamente. Alnahhal et al (Entrada 13) informaron una tendencia similar entre la cantidad de cemento sustituido y el CO2 emitido, de hecho, el hormigón con sustituciones del 10%, 20% y 40% del cemento por ceniza preparada con cascarilla de arroz presentó emisiones de 314, 287 y 260 kgCO2/m3 de hormigón preparado, respectivamente. Además, en el hormigón preparado con ceniza de aceite de palma como sustituto del 10%, 20% y 40% del cemento se encontraron emisiones de 315, 288 y 261 kgCO2/m3, respectivamente. La tendencia inversa entre el porcentaje de sustitución del cemento y el dióxido de carbono emitido, se relaciona con la menor cantidad de cemento empleado, que es la principal fuente de CO2 durante la preparación del hormigón, y con un menor factor de emisión de materiales de reemplazo, que, en todos los casos, es menor. que el del cemento, como se presenta en la tabla 1.

En cuanto al tipo de material de reemplazo, se informó que las emisiones de dióxido de carbono estaban directamente relacionadas con el factor de emisión de cada reemplazo. De hecho, los estudios informan que cuanto menor sea el factor de emisión del material de reemplazo, mayor será la reducción del CO2 total emitido. Una menor emisión de dióxido de carbono en el hormigón modificado con distintos tipos de residuos afecta positivamente al medio ambiente y es una estrategia para su aprovechamiento.

Debido a la amplia variedad de aplicaciones y las tendencias de consumo actuales, se espera que la demanda mundial de hormigón siga creciendo. Por tanto, para la industria del hormigón, uno de los principales retos futuros será reducir el CO2 emitido a lo largo de su ciclo de producción. Como se analiza en esta revisión, una forma de reducir las emisiones de dióxido de carbono es incorporar diferentes materiales que reemplacen los materiales tradicionales para preparar el hormigón modificado, particularmente aquellos utilizados como sustitutos del cemento, debido a su elevado factor de emisión, el cual aporta de manera significativa en el CO2 total producido en la elaboración del hormigón. La preparación de hormigones modificados incorporando materiales cementantes disminuye considerablemente las emisiones de CO2, lo que tiene un impacto positivo en el medio ambiente. Se espera que futuros estudios centrados en la elaboración de hormigones modificados consideren la estimación del CO2 emitido y este se convierta en un parámetro para evaluar el impacto ambiental de los hormigones modificados. La estimación de este parámetro, a la fecha, es aún limitada en los reportes sobre hormigones modificados. Se espera que este reporte ayude a cerrar el gap en la bibliografía actual sobre el impacto ambiental que tiene la incorporación de residuos orgánicos e inorgánicos, en la preparación de hormigones modificados.

Los residuos de la industria y la agroindustria son empleados como sustitutos del cemento, los agregados finos o los agregados gruesos, estos mejoran las propiedades físicas y mecánicas del hormigón, y reducen el CO2 emitido. Estos resultados confirman que el cálculo del CO2 que se emite es un parámetro de gran importancia para cuantificar el impacto ambiental de los hormigones modificados. Acorde a los hallazgos encontrados, se pueden hacer diferentes recomendaciones para estudios posteriores:

Se han realizado suficientes pruebas relacionadas con las propiedades mecánicas del hormigón que incorpora residuos industriales y agrícolas, pero los estudios sobre el CO2 emitido son limitados. Se requieren estudios adicionales, como el parámetro de energía incorporada (energía/resistencia a compresión) y el parámetro de dióxido de carbono incorporado (dióxido de carbono emitido/resistencia a compresión) como indicadores principales para evaluar el efecto del uso de desechos sobre el beneficio ambiental en la producción de hormigón.

En los estudios existentes se analizan las emisiones provenientes de la producción de materiales, transporte y producción de hormigón en sitio. Sin embargo, todavía existen algunas lagunas para cuantificar las emisiones totales directas e indirectas de CO2 que incluyen todas las actividades que ocurrieron durante la preparación del concreto. Entre los estudios revisados, ningún estudio de evaluación del ciclo de vida estimó las emisiones de todas las actividades, y la mayoría de ellos incluyeron la producción de materiales y el transporte. No se incluyeron las actividades de los trabajadores, el transporte de equipos y el consumo de energía durante el procesamiento de materiales sustitutos (procesos de calcinación, tamizado y molienda). Tal omisión es posiblemente el déficit más significativo desde la perspectiva de los límites del sistema y puede generar sesgos en los resultados y afectar el establecimiento de estrategias precisas de reducción de carbono.

La evolución de la tecnología del hormigón ha mostrado una tendencia prometedora hacia el futuro del hormigón ecológico que incorpora sustitutos del cemento. Este avance se logrará con la modificación de la química de los aglutinantes convencionales y emisiones de CO2 más limpias en las mezclas de hormigón modificado.

En los próximos años, los cálculos del CO2 producido serán más importantes cuando el gobierno junto con clientes proporcione incentivos para producir hormigones bajos en carbono que contribuyan de manera significativa a la reducción de este contaminante en la industria de la construcción. Estos incentivos adoptarán la forma de subvenciones, créditos de carbono y devoluciones de impuestos.

Se espera que en futuros estudios se tengan en cuenta la medición de otras emisiones generadas en la preparación de hormigones modificados con cenizas, las cuales, pueden contener altas concentraciones de dioxinas, componentes de carbono y metales pesados, entre otros, los cuales pueden conducir a una mayor contaminación ambiental y generar preocupaciones globales con respecto a la salud pública y la sostenibilidad ambiental.

Se ha presentado una revisión sobre el CO2 que emite el hormigón modificado. De los resultados de la revisión, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

Los investigadores proponen la reutilización de diversos tipos de materiales de desecho como sustitutos del cemento, la arena o los áridos gruesos en la producción de hormigón. Los datos informados descubrieron que el hormigón con reemplazo de cemento emite menos CO2 en contraste con el reemplazo de arena o grava.

La producción de CO2 está relacionada con la proporción entre el cemento y el agua, así como del porcentaje de reposición. Los datos reportados indican que el CO2 emitido disminuye a medida que aumenta la relación agua/cemento y disminuye la tasa de sustitución. Además, estas emisiones dependen de la naturaleza del sustituto. De hecho, un material sustituto con menor factor de emisión presenta menor emisión de CO2.

Esta revisión proporciona información valiosa en términos de la incorporación de residuos (principalmente agroindustriales) para reemplazar el cemento, lo que crea una alternativa exitosa para eliminar este tipo de residuos que actualmente se envían a vertederos y reducir el CO2 que se libera al ambiente.

Se espera que las futuras investigaciones centradas en la incorporación de materiales cementantes de reemplazo en la preparación del concreto incluyan no solo la medición de las descargas de CO2 como parámetro para evaluar el impacto ambiental en la producción de concreto sustentable desde un punto de vista técnico y ambiental, sino que se incluya la medición de otros componentes incluso más contaminantes tales como dioxinas, materiales de carbono y metales pesados, lo cual permita visualizar de manera más detallada su impacto en el entorno..

Cómo citar este artículo: J. H. Gómez-Ospina, S. Herrera-Herrera, C.F. Rodríguez-Rojas. O. Arbeláez-Pérez. “Emisiones de dióxido de carbono y ecoeficiencia del hormigón tradicional y modificado. Revision de literatura.”, Revista Politécnica, vol.20, no.40 pp.61-79, 2020. DOI:10.33571/rpolitec.v20n40a4

https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/2375/2328 (pdf)

Los autores de este trabajo agradecen el apoyo financiero a través de INV3167. J. H. Gómez, S. Herrera, C.F. Rodríguez, agradecen al semillero de investigación en materiales y estructuras.