Desarrollo de concretos activados alcalinamente a partir de residuos sílico-aluminosos, como alternativa para la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector constructor

Abstract

RESUMEN : El acuerdo de París sobre el Cambio Climático, reafirmado durante las cumbres posteriores, supone un compromiso frente a la disminución de la cantidad de gases de efecto invernadero en todos los sectores productivos. Colombia, en particular, se comprometió con una disminución del 20% de sus emisiones para el año 2030. Debido a su intensidad material y energética, además de su crecimiento sostenido a lo largo de la última década, el sector edificador resulta estratégico en el logro de este propósito. La presente investigación tiene como objetivo sustituir concretos convencionales por concretos conteniendo residuos mineros activados alcalinamente, como una posible alternativa para la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero y la energía incorporada del ciclo de vida en una edificación del Valle de Aburrá, Colombia. Para esto, se desarrolló un modelo que permitió la determinación de las emisiones de gases de efecto invernadero y la energía incorporada mediante el software UMBERTO NXT CO2 de las Fases 1 y 2 del ciclo de vida de la edificación, como se describe a continuación: Fase 1, materiales e insumos, lo cual incluye los procesos de extracción de materia prima, fabricación y transporte de materiales a obra. Fase 2, etapa de construcción, la cual incluye los procesos de transportes internos, uso de maquinarias y equipos, instalaciones y transporte y disposición/aprovechamiento de residuos de construcción y demolición, los cuales son generados hasta antes del comienzo de la fase de operación. Se llevaron a cabo cuatro estimaciones, la primera a partir de la información suministrada por la constructora y la segunda en función de la información exacta contenida en los planos arquitectónicos, estructurales y de instalaciones técnicas (no incluye residuos). Las estimaciones restantes también corresponden a la información contenida en los planos, incluyendo los residuos; sin embargo, la tercera estimación incluyendo los porcentajes de pérdida de materiales utilizados por la constructora en el proyecto y la cuarta considerando la cantidad de residuos reportados por la constructora. Los resultados mostraron que la constructora debe revisar su forma de reportar las cantidades de materiales, ya que las variaciones entre las huellas de carbono y la energía incorporada son muy significativas. Específicamente, es importante la variación presente entre la cantidad de cemento reportada por la constructora y el valor estimado según los planos, además de las diferencias sustanciales entre las cantidades de residuos de construcción y demolición. De manera paralela, se determinaron las condiciones de los diseños de mezcla de los concretos fabricados a partir de residuos mineros y activadores alcalinos. Luego, los resultados se compararon con un diseño de mezcla de concreto convencional conteniendo cemento Pórtland, y usado como referencia, planteado para 21 MPa de resistencia a la compresión. Para esto, inicialmente, se llevó a cabo un proceso de molienda de los residuos mineros, con el fin de obtener un tamaño de partícula y un área superficial específica similar a la del cemento. De esta forma, se pudo comparar la resistencia a la compresión entre los morteros preparados con residuos molidos y/o con residuos con granulometría original (en estado de entrega), con el mortero de referencia elaborado con cemento Pórtland tipo I. El mortero de referencia corresponde a un mortero tipo S de 12,5 MPa de resistencia a la compresión. Además, para la preparación de morteros con residuos molidos, se hicieron sustituciones parciales del 10 y el 20% del residuo molido por cemento Pórtland tipo I como co-aglutinante. Se variaron las relaciones molares sílice/alúmina, óxido de sodio/sílice y agua/óxido de sodio para los morteros, a fin de establecer la combinación que presentase la menor cantidad de emisiones por metro cúbico, en función del módulo de solución (Ms) y el porcentaje de óxido de sodio. De todas las combinaciones evaluadas, con los residuos como precursores, se seleccionaron los morteros con la mayor resistencia a la compresión a los 28 días para fabricar el concreto conteniendo residuo activado alcalinamente. Se incorporó la variable de relación sólido/líquido y se calcularon las emisiones y energía incorporada y la posible reducción estos indicadores. Estos resultados preliminares mostraron que la mezcla donde se logró el mayor valor de resistencia a la compresión, fue el diseño con residuo de colas de flotación molidas y un 20% de sustitución parcial por cemento. Sin embargo, esta condición, a pesar de ser la mejor, no alcanzó los valores de resistencia establecidos para el mortero y el concreto de referencia (12,5 y 21 MPa). Debido a lo anterior, se prepararon dos nuevos diseños de morteros usando las colas de flotación molidas y con sustituciones parciales de cemento de 30 y 40%, respectivamente. De este estudio final, se obtuvo que la mezcla con 30% de sustitución parcial por cemento superó el valor de resistencia a la compresión del mortero de referencia, con 17,7 MPa a los 28 días de fraguado. Por último, se prepararon los concretos con esta condición y se logró un valor de resistencia a la compresión a los 28 días de fraguado de 25,3 MPa, superando el valor establecido para el concreto de referencia. Finalmente, se analizó la viabilidad de la sustitución de concretos convencionales por concretos generados a partir de residuos mineros activados alcalinamente a través de los resultados y las propiedades evaluadas. Los resultados del análisis demostraron que los concretos con residuos mineros activados alcalinamente son aptos para la sustitución de concretos convencionales, con una reducción en la edificación del 8,02% en las emisiones de gases de efecto invernadero y del 4,72% en la energía incorporada, respecto a los concretos convencionales.