Cementos y hormigones sostenibles a partir de materiales naturales no calcinados como material cementante suplementario
Authors:   , Presa Madrigal Leticia 
Published: December 2024

The construction industry is considered a strategic sector due to its importance in the economy, its export capacity, and its roots in local communities, where it provides quality employment. It is currently based primarily on the use of Portland cement, a building material obtained by calcining a mixture of limestone and clays at high temperatures. Large amounts of carbon dioxide are produced during the calcination process, which is problematic from an environmental standpoint, as carbon dioxide is one of the main greenhouse gases.

Emissions from the production of Portland cement are mainly due to two sources. First, the burning of fuels to achieve the calcination temperature, and second, the decarbonization reaction that occurs during the calcination of limestone. Limestone, a calcium carbonate, transforms into calcium oxide when calcined, releasing large amounts of CO2.

Major efforts are being made in the cement industry to reduce these emissions. One strategy focuses on natural inorganic materials that enhance the properties of the cementitious mixture through their hydraulic or pozzolanic activity, or both, known as supplementary cementitious materials. These materials reduce the amount of calcium oxide in the cement, known as the clínker factor, and therefore decrease the direct emissions generated during calcination.

Among the supplementary cementitious materials are pozzolans, aluminosilicates of natural origin that do not have hydraulic properties but, when finely ground, react with the calcium hydroxide in cement in the presence of water, providing resistance and improving some properties of the cement.

The main objective of the present work is to investigate different non-calcined natural materials as supplementary cementitious materials to obtain more sustainable cementitious products. For this purpose, different varieties of natural zeolites and other vitreous or zeolitized materials have been studied to replace various percentages of cement in mortars and concretes.

The materials used were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray fluorescence (XRF). Mortar and concrete specimens were subjected to compressive strength tests at different ages to assess their mechanical properties.

Additionally, ultrasonic wave velocity tests, monitoring the setting temperature of the concrete specimens, and the complex conductivity (CC) geophysical method to monitor the cement products are used to enhance the understanding of cement reactions.

The results indicate that pozzolanic materials are optimal raw materials for sustainable cement and mortar production. Despite a decrease in mechanical strength, the reduction in emissions and improvement of other properties make these materials a viable option from an economic, technological, and environmental perspective.

RESUMEN

La industria de la construcción se considera un sector estratégico, por su importancia en la economía, su capacidad exportadora, y su arraigo en las comunidades locales en las que ofrece empleo de calidad. En la actualidad está basada principalmente en el uso de cemento Portland, un material de construcción que se obtiene a partir de la calcinación de la mezcla de caliza y arcillas a alta temperatura. Durante este proceso de calcinación se producen grandes cantidades de dióxido de carbono, lo que supone un problema desde un punto de vista medioambiental, ya que es considerado uno de los principales gases de efecto invernadero.

Las emisiones procedentes de la elaboración del cemento Portland son debidas principalmente a dos fuentes: la quema de combustibles para obtener la temperatura de calcinación y la reacción de descarbonatación que se produce durante la calcinación de la caliza, una roca rica en carbonato cálcico que al ser calcinada se transforma en óxido de calcio, desprendiendo grandes cantidades de CO2.

En la industria cementera se están realizando grandes esfuerzos para reducir estas emisiones. Una de las estrategias se centra en el uso de materiales naturales inorgánicos que contribuyen a la mejora de las propiedades de la mezcla cementicia a través de su actividad hidráulica, puzolánica, o ambas, denominados materiales cementantes suplementarios. Con el uso de estos materiales se reduce la cantidad de óxido de calcio presente en el cemento, conocido como factor clínker, y por lo tanto, las emisiones directas generadas en la calcinación.

Dentro de los materiales cementantes suplementarios se encuentras las puzolanas, aluminosilicatos de origen natural o artificial que no poseen propiedades hidráulicas, pero, que finamente molidas reaccionan con el hidróxido de calcio del cemento en presencia de agua y proporcionan resistencia y mejora en algunas propiedades del cemento.

El principal objetivo del presente trabajo es el estudio de diferentes materiales naturales no calcinados como material cementante suplementario, para la obtención de productos cementicios más sostenibles. Para ello, se han estudiado diferentes variedades de zeolitas naturales y otros materiales vítreos o zeolitizados para sustituir diferentes porcentajes de cemento en morteros y hormigones.

Los materiales utilizados se han caracterizado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (DRX) y/o fluorescencia de rayos X (FRX). Se han elaborado probetas de mortero y hormigón con sustituciones de parte del cemento por estos materiales. Sobre estas probetas se han realizado ensayos de resistencia a compresión a diferentes edades, 7, 28 y 90 días en el caso de las probetas de mortero y 28, 9 y 180 días en las probetas de hormigón, llegando a la edad de 2 años de curado en dos de las mezclas estudiadas.

Adicionalmente, se han realizado ensayos de velocidad de las ondas ultrasónicas, se ha monitorizado la temperatura de fraguado de las probetas de hormigón y se ha utilizado el método geofísico de conductividad compleja (CC), como métodos de monitorización de los productos del cemento para aumentar el conocimiento de las reacciones del cemento.

A raíz de los resultados obtenidos se puede observar que los materiales puzolánicos en su mayoría son una materia prima óptima para la obtención de cementos y morteros sostenibles. A pesar de que el incremento de las resistencias mecánicas de las probetas de morteros y hormigones es más lento que en las probetas de cemento portland el descenso de las emisiones y la mejora de otras propiedades hacen de estos materiales una opción viable desde un punto de vista económico, tecnológico y ambiental.