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La captura de dióxido de carbono: la carbonatación del hormigón

By MADe [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)], from Wikimedia Commons

En posts anteriores ya hemos tratado el tema del dióxido de carbono y el hormigón, en especial cuando cuantificábamos la cantidad de  CO2 que se emite a la atmósfera con la fabricación del hormigón o bien cuando tratábamos sobre la durabilidad del hormigón. En este post vamos a realizar un pequeño análisis de las investigaciones relacionadas con la carbonatación del hormigón a lo largo del ciclo de vida de una estructura (Yepes, 2017).

Son pocos los estudios sobre el ciclo de vida de estructuras de hormigón que consideran la carbonatación. Si se ignora la absorción de CO2 se pueden sobrestimar las emisiones en un 13-48%, dependiendo del tipo de cemento y la aplicación del hormigón reciclado durante la vida secundaria (Collins, 2010). Este proceso de carbonatación se denomina muchas veces recarbonatación, puesto que el producto final es el carbonato cálcico, que es químicamente el mismo componente que se utilizó como ingrediente primario para la fabricación del cemento. La carbonatación del hormigón se puede evaluar mediante modelos teóricos (Papadakis et al., 1991), modelos experimentales (Jiang et al., 2000) y modelos basados en la teoría de la difusión y en pruebas reales (Houst y Wittmann, 2002).

El coeficiente de carbonatación del hormigón depende de la porosidad y de la permeabilidad del recubrimiento de las armaduras, así como de las condiciones ambientales a las que esté expuesto (Bertolini et al., 2004). Cuando reducimos la relación agua/cemento, dificultamos la difusión de CO2 en el hormigón. El hecho de que la velocidad de carbonatación sea mayor en hormigones protegidos de la intemperie se debe al bloqueo parcial de los poros por efecto de la lluvia en el exterior no protegido.

Oxidación de las armaduras como limitante de la durabilidad del hormigón armado

Si se comparan ambas condiciones se obtienen grandes diferencias, mostrándose la gran influencia que tiene la humedad en la carbonatación (Galán et al., 2010). La cantidad necesaria de CO2 para bajar el pH hasta rangos casi neutros, en los que las armaduras dejan de estar protegidas, variará en función de la reserva alcalina que el cemento aporte al hormigón, la cual depende tanto del tipo como de la cantidad de cemento utilizado (Ho and Lewis, 1987; Kobayashi y Uno, 1989). Zornoza et al. (2009) señalaron que la capacidad del hormigón para fijar CO2 es proporcional a la alcalinidad de la pasta de cemento. Otro factor muy importante es el recubrimiento del acero, pues cuanto mayor sea, más tiempo tardará el CO2 en deteriorar la protección alcalina frente a la corrosión del acero. La EHE-08 (Fomento, 2008) calcula el coeficiente de carbonatación en función de la exposición a la lluvia, el aire ocluido, la resistencia del hormigón y el uso de adiciones.

Leber y Blakey (1956) estimaron los efectos de la carbonatación suponiendo que todo el CO2 absorbido reacciona con la cal para formar carbonato cálcico en morteros y en hormigón. La carbonatación del hormigón capta CO2 y compensa las emisiones de otras etapas del ciclo de vida. El tipo de cemento y el uso de hormigón reciclado influyen significativamente en la captura de CO2 (Collins, 2010). Flower y Sanjayan (2007) encontraron que la escoria de alto horno y la ceniza volante podrían reducir, respectivamente, las emisiones de CO2 del hormigón en un 22% y entre un 13% y un 15% en mezclas de hormigón habituales.

Pade y Guimaraes (2007), Collins (2010) y Dodoo et al. (2009) consideraron los modelos predictivos de la primera ley de difusión de Fick para estimar la captura de CO2. Esta captura depende del coeficiente de carbonatación, del tiempo, de la cantidad de cemento Portland por metro cúbico de hormigón, de la cantidad de contenido de CaO en el cemento Portland, de la proporción de CaO que puede ser carbonatada y de la superficie expuesta. Pade y Guimaraes (2007) analizaron la cantidad de hormigón que se recicla para uso secundario según el país y concluyeron que la trituración del hormigón tras su vida útil incrementa significativamente la carbonatación gracias a la mayor superficie expuesta. Aproximadamente dos tercios de las emisiones producidas en la calcinación para fabricar cemento se pueden capturar si se deja el hormigón triturado expuesto durante 30 años tras la finalización de su vida útil (Dodoo et al., 2009). De hecho, un 70% del CO2 liberado en la producción de cemento se recapturaría por el hormigón endurecido en 100 años (Börjesson y Gustavsson, 2000).

La durabilidad del hormigón armado puede disminuirse significativamente por los procesos de degradación de origen ambiental o funcional (Angst et al., 2009; Guzmán et al., 2011). En consecuencia, la reducción de la vida útil provoca una mayor cantidad de emisiones anuales. Además, contemplar la durabilidad también es fundamental en un buen diseño conceptual, en la gestión de calidad en la construcción y en un buen plan de mantenimiento. Así, Aïtcin (2000) señaló la importancia de considerar no solo el coste de 1 m3 de hormigón, sino el coste de 1 MPa o 1 año del ciclo de vida de una estructura. La carbonatación puede ayudar a reducir las emisiones totales de CO2 asociadas a la producción de hormigón. Sin embargo, este fenómeno hace perder la capa protectora alcalina que protege de la corrosión y, por tanto, determina la durabiliad de la estructura.

García-Segura et al. (2014) estudiaron el ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero del hormigón elaborado con cemento con adiciones. Se evaluó la carbonatación durante la vida útil y tras la demolición, considerando que el óxido de calcio que no carbonate durante la etapa de uso lo puede hacer después de la demolición. Encontraron que la carbonatación durante la etapa de uso disminuye las emisiones totales en un 22% respecto a los hormigones con cemento Portland. Además, y esto es muy importante, el hormigón reciclado triturado y expuesto a la atmósfera garantiza una carbonatación completa y una enorme reducción de las emisiones de CO2.

Referencias:

Aïtcin, P.C. (2000). Cements of yesterday and today. Cement and Concrete Research, 30(9), 1349–1359.

Angst, U.; Elsener, B.; Larsen, C.K.; Vennesland, Ø. (2009). Critical chloride content in reinforced concrete — A review. Cement and Concrete Research, 39(12), 1122–1138.

Bertolini, L.; Elsener, B.; Pedeferri, P.; Polder, R.B. (2004). Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair. Weinheim: Wiley-VCH.

Börjesson, P.; Gustavsson, L. (2000). Greenhouse gas balances in building construction: wood versus concrete from life-cycle and forest land-use perspectives. Energy Policy, 28(9), 575–588.

Collins, F. (2010). Inclusion of carbonation during the life cycle of built and recycled concrete: influence on their carbon footprint. The International Journal of Life Cycle Assessment, 15(6), 549–556.

Dodoo, A.; Gustavsson, L.; Sathre, R. (2009). Carbon implications of end-of-life management of building materials. Resources, Conservation and Recycling, 53(5), 276–286.

Flower, D.J.M.; Sanjayan, J.G. (2007). Green house gas emissions due to concrete manufacture. The International Journal of Life Cycle Assessment, 12(5), 282–288.

Fomento, M. (2008). EHE-08: Code on structural concrete. Madrid, Spain: Ministerio de Fomento.

Galán, I.; Andrade, C.; Mora, P.; Sanjuan, M.A. (2010). Sequestration of CO2 by concrete carbonation. Environmental Science & Technology, 44(8), 3181–6.

García-Segura, T.; Yepes, V.; Alcalá, J. (2014). Life cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. The International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1), 3–12.

Guzmán, S.; Gálvez, J.C.; Sancho, J.M. (2011). Cover cracking of reinforced concrete due to rebar corrosion induced by chloride penetration. Cement and Concrete Research, 41(8), 893–902.

Ho, D.; Lewis, R. (1987). Carbonation of concrete and its prediction. Cement and Concrete Research, 17(3), 489-504.

Houst, Y.F.; Wittmann, F. H. (2002). Depth profiles of carbonates formed during natural carbonation. Cement and Concrete Research, 32(12), 1923–1930.

Jiang, L.; Lin, B.; Cai, Y. (2000). A model for predicting carbonation of high-volume fly ash concrete. Cement and Concrete Research, 30(5), 699–702.

Kobayashi, K.; Uno, Y. (1989). Influence of alkali on carbonation of concrete, part I. Preliminary tests with mortar specimens. Cement and Concrete Research, 19(5), 821-826.

Leber, I.; Blakely, F.A. (1956). Some effects of carbon dioxide on mortars and concrete. Journal of American Concrete Institute, 53(9), 295–308.

Pade, C.; Guimaraes, M. (2007). The CO2 uptake of concrete in a 100 year perspective. Cement and Concrete Research, 37(9), 1348–1356.

Papadakis, V.G.; Vayenas, C.G.; Fardis, M.N. (1991). Fundamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation. ACI Materials Journal, 88(4), 363–373.

Yepes, V. (2017). Trabajo de investigación. Concurso de Acceso al Cuerpo de Catedráticos de Universidad. Universitat Politècnica de València, 110 pp.

Zornoza, E.; Payá, J.; Monzó, J.; Borrachero, M.V.; Garcés, P. (2009). The carbonation of OPC mortars partially substituted with spent fluid catalytic catalyst (FC3R) and its influence on their mechanical properties. Construction and Building Materials, 23(3),  1323–1328.

 

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5 junio, 2018
 
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¿Cuánto CO2 se emite cuando empleamos hormigón?

Cementera, http://www.coinref.com/

Cementera, http://www.coinref.com/

Una de las mayores preocupaciones actuales es el calentamiento del planeta debido a la emisión desmesurada de gases de efecto invernadero, entre los cuales está el CO2. Siempre se ha dicho que la construcción es uno de los sectores que más influye en dicho cambio climático fundamentalmente porque la fabricación de cemento Portland provoca un emisión considerable de CO2, que llega a ser el 5% del balance total de emisiones mundiales. Incluso determinados informes avisan de que la industria de la construcción, en su conjunto, podría ser responsable de generar entre el 40 y el 50% de todos los gases de efecto invernadero.

Simplificando, podemos decir que fabricar una tonelada de cemento Portland supone una emisión de una tonelada de CO2. Sin embargo, el uso de cementos con adiciones puede reducir drásticamente este tipo de emisiones, incluso a un 40%.

Sin embargo, no siempre tenemos en cuenta todos los factores que entran en juego. Recientemente, nuestro grupo de investigación realizó un ejercicio de análisis de ciclo de vida completo del hormigón empleado en fabricar un elemento estructural sencillo, como puede ser una columna de hormigón armado (García-Segura et al., 2014). Algunos resultados son de gran interés, especialmente los relacionados con los cementos con adiciones, la carbonatación y con la reutilización del material al terminar su ciclo de vida.

Efectivamente, de todos es conocido el fenómeno de la carbonatación, por la cual el hormigón captura CO2 y pierde la alcalinidad que protege de la corrosión a las armaduras, acortando por tanto la vida útil de la estructura. Aunque el fenómeno es perverso, también es cierto que dicha carbonatación supone un sumidero de gases de efecto invernadero. La cuantificación de este efecto, más la carbonatación última que puede tener lugar al final del ciclo de vida de las estructuras si usamos el hormigón, por ejemplo como árido machacado de relleno, puede hacer que el balance de CO2 completo sea diferente al que estamos acostumbrados.

Carbonatación del hormigón, que al bajar el Ph del hormigón, puede llevar a la corrosión de la armadura

Los cementos con adiciones utilizan ciertos subproductos de desecho para reemplazar el cemento Portland, el principal contribuyente a las emisiones de CO2 en la fabricación de hormigón. El objetivo de este estudio es determinar si la reducción de la durabilidad y la reducción de la carbonatación de los hormigones con cementos con adiciones compensan las menores emisiones en su producción. Este estudio evalúa las emisiones y la captura de CO2 en una columna de hormigón armado durante su vida útil y después de su demolición y reutilización como grava de relleno. El deterioro del hormigón debido a la carbonatación y la inevitable corrosión de las armaduras, terminan con la vida útil de la estructura. Sin embargo, la carbonatación continúa incluso después de la demolición, debido a la mayor superficie expuesta del material reciclado. Los resultados indican que los hormigones fabricados con cemento Portland, con adiciones de cenizas volantes silíceas (35% FA) y con escoria siderúrgicas granuladas de alto horno (80% BFS), capturan un 47, 41 y 20%, respectivamente, de las emisiones de CO2. La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación. En comparación con el cemento Portland, y a pesar de una menor captura de CO2 y de vida útil, el CEM III/B emite un 20 % menos de CO2 al año. Se concluye que la adición de FA al cemento Portland, en lugar de BFS, conduce a menores emisiones, pues FA necesita menos procesamiento después de ser recogido, y las distancias de transporte son generalmente más cortas. Sin embargo, las mayores reducciones se lograron usando BFS, debido a que se puede reemplazar una cantidad mayor de cemento. Los cementos con adiciones emiten menos CO2 al año durante el ciclo de vida de una estructura, a pesar de que dicha adición reduce notablemente la vida útil. Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO2 a la mitad. El caso estudiado demuestra cómo se pueden utilizar los resultados obtenidos.

Os dejo a continuación los resultados, en tablas, de dicho balance aplicados a distintos tipos de cementos, con más o menos adiciones. Podréis comprobar que se ha analizado el ciclo completo, desde la producción (incluido el transporte), la construcción, el uso, la demolición y tras la demolición. En el artículo de referencia tenéis los detalles del estudio.

 

Resultados interesantes:

  • La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación.
  • CEM III/B emite un 20% menos de CO2 anual que el CEM Portland, a pesar de que tiene una vida útil menor y que recarbonata mucho menos. En valores de emisiones absolutas, CEM III/B emite un 28% menos que el CEM Portland. También es verdad que este cemento se recomienda en para hormigón en masa y armado de grandes volúmenes, como presas de hormigón vibrado o cimentaciones de hormigón armado. No es utilizable para hormigón de alta resistencia, hormigón prefabricado u hormigón pretensado.
  • Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO2 a la mitad.

Grandes volúmenes de hormigón vibrado

De todos modos, no todos los tipos de cementos sirven para cualquier cosa. Os dejo estos enlaces que creo os serán útiles:

 

 

Referencias:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI 10.1007/s11367-013-0614-0 (link)

6 julio, 2016
 
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Durabilidad del hormigón

2014-11-12 16.38.52

Parque Zona Norte, Alcoy (Alicante). Imagen: V. Yepes, 2013

La durabilidad de una estructura de hormigón, según el artículo 37 de la Instrucción Española de Hormigón (EHE), es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura. Una estrategia correcta para la durabilidad debe tener en cuenta que en una estructura puede haber diferentes elementos estructurales sometidos a distintos tipos de ambiente.

La carbonatación en el hormigón armado se produce avanzando desde el exterior

Os recomiendo este link: http://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/ACI_201_2R_01.pdf para que os podáis descargar la Guía de Durabilidad del Hormigón del ACI (en español). Además, os dejo un vídeo de l profesor Antonio Garrido, de la Universidad Politécnica de Cartagena, destinado a que sus alumnos adquieran un conocimiento sobre los mecanismos de deterioro del hormigón y las estrategias preventivas de la EHE. Espero que os guste.

1 mayo, 2013
 
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Universidad Politécnica de Valencia