4 marzo, 2024 9:34 am

Concreto industrializado en estructuras sustentables y resilientes

Arturo Gaytán Covarrubias Gerente de Sostenibilidad, Centro de Tecnología Cemento y Concreto, Cemex México.


Hoy en día, las edificaciones y obras de infraestructura tienen un papel muy importante en el desarrollo de los países, y ante los retos que se viven por el cambio climático, es imperante que las construcciones estén preparadas. Las estructuras ya no sólo deben proveer estabilidad y seguridad estructural; deben ser resilientes ante los efectos adversos del clima y para proteger a sus ocupantes. El uso de los materiales es fundamental para ese fin, así como para maximizar la economía y beneficiar socialmente. En este artículo se abordan algunas estrategias específicas para el uso de concreto industrializado para volver las estructuras sustentables y resilientes, así como casos de estudio y aplicación en América Latina.

 

¿Qué define a un edificio de éxito para el desarrollo sostenible? Cinco puntos pueden enumerarse para calificar a una edificación como sustentablemente exitosa: funcionalidad, durabilidad, comodidad, menor uso de recursos y estética.

En el ciclo de vida de las edificaciones, infraestructuras y en general de la ingeniería civil, varios actores participan en las distintas etapas, desde la concepción de la idea del proyecto hasta su eventual demolición o reutilización/reciclaje. De igual forma, son muy diversos los materiales que se utilizan en distintas etapas para la concreción de las obras; el concreto premezclado tiene un papel importante en muchas de estas etapas.

Los temas de innovación y sustentabilidad son escasamente considerados en los presupuestos de los proyectos ejecutivos de obras de edificación, y debería contemplarse una partida específica para incorporarlos; en general, las propuestas de materiales y tecnologías que privilegian la sustentabilidad llegan cuando el proyecto ya ha sido aprobado, tanto técnica como económicamente.

A este respecto, las proyecciones del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, 2014) van de un aumento de la temperatura para el siglo XXI de 6.4 °C, con un correspondiente aumento del nivel del mar de 0.2 a 0.6 m, hasta la necesidad de estructuras más robustas que puedan proporcionar refugio. Esta necesidad será la base para el diseño de nuevas construcciones y dominará para la adaptación de las estructuras existentes. Los materiales que pueden adaptarse a un entorno cambiante dramáticamente (y, por tanto, diferentes prácticas de construcción y requisitos de servicio) serán los mayores contribuyentes a la sustentabilidad en el futuro.

 

Los materiales de construcción y la huella de carbono

La huella de carbono incluye tanto las emisiones de CO2 asociadas directamente a la fabricación de un artículo o producto –extracción de recursos, quema de combustibles fósiles para generar la energía, fabricación, transporte de materiales y producto final– e indirectamente debido a su uso continuo, operación y mantenimiento. En los edificios, las emisiones de CO2 generadas durante la fase operativa son mucho mayores que las generadas durante la construcción.

Existen diferentes materiales de construcción, entre los cuales pueden destacarse arena, arcilla, barro cocido, piedra, cemento, concreto y mortero; los metálicos como acero, aluminio, cobre, titanio y aleaciones; y los orgánicos, como madera, aglomerados, bambú, caña, corcho, etcétera; finalmente, los sintéticos como ciertos derivados del petróleo –plásticos, fibras reforzadas con polímeros, asfalto, silicón, pinturas y otros similares.

El ingeniero civil tiene un papel muy importante en la selección de los materiales para las construcciones; es suya la responsabilidad de proponer lo más conveniente para la estructura en términos de seguridad, y ahora de sustentabilidad y resiliencia: durabilidad, economía, impacto local, ventajas estructurales y térmicas, versatilidad, y potencial estético son algunos de los elementos por tomar en cuenta a la hora de seleccionar los materiales.

El concreto es la mezcla de cemento, arena, grava, material cementante suplementario, aditivos y acero de refuerzo. En cada uno de los ingredientes del concreto reforzado existe una estrategia y una oportunidad para reducir el impacto de las construcciones.

La producción de cemento contribuye con el 4% de las emisiones de gases de efecto invernadero, en comparación con todos los demás sectores industriales; la minería con el 5%, lo mismo que el hierro y acero, la producción forestal y la industria de alimentos y bebidas.

El cemento se fabrica con materias primas como la caliza y la arcilla a altas temperaturas para formar silicatos de calcio que proporcionan las propiedades de unión de cemento. La fase de calentamiento requiere un horno para formar el clínker, donde el CO2 se libera de la piedra caliza.

En el pasado, por cada tonelada de cemento producido se emitía una tonelada de CO2: aproximadamente media tonelada (450 kg) por la transformación de la piedra caliza en el horno, de un tercio a media tonelada (300 a 450 kg) por la energía utilizada para calentar el horno, y una pequeña cantidad restante de uso eléctrico y transporte al sitio y durante la producción.

Si bien esta fue la regla por muchos años, en las últimas dos décadas la industria del cemento ha sido muy activa e innovadora en la reducción del consumo de energía, y por tanto de las emisiones de CO2 relacionadas con la producción del clínker. Hoy en día, por cada tonelada de cemento producida se emiten aproximadamente 550 kg de CO2, casi la mitad de lo que se emitía hace algunos años. Además, los grandes avances en las prácticas para la fabricación de cemento pueden reducir las emisiones de CO2, con implicaciones positivas para el comercio de carbono. Medidas tales como la quema de neumáticos de desecho en lugar de carbón y la mejora en la eficiencia de la planta han dado lugar a reducciones significativas de las emisiones de CO2 procedentes de la fase de fabricación de cemento.

Es de la mayor importancia hacer uso inteligente de los materiales para poder contribuir a la sustentabilidad de la construcción; por ejemplo, usar concretos de alta resistencia en lugar de los convencionales, reducir o eliminar materiales de acabado, usar materiales cementantes suplementarios y otros materiales reciclados, optimizar la masa térmica del concreto y solicitar combustibles alternos para la fabricación de cemento (véase tabla 1).

 

Transmisión térmica

La transmisión térmica es la transferencia de calor a través de un cuerpo por convección, conducción o radiación. El aislamiento para reducir la transmisión térmica es el factor clave para la reducción de costos de energía. Según el World Resources Institute, el 25% de las emisiones de CO2 provienen de la operación de los edificios por uso de electricidad y calefacción.

La capacidad de un cuerpo para almacenar calor (capacidad de calor) puede usarse como ventaja de conservación de energía. Los materiales con altas capacidades de calor y baja difusividad térmica (transferencia lenta de calor) tienen el potencial de una alta masa térmica. Usar los beneficios de la masa térmica no es un concepto nuevo. Por ejemplo, el concreto es un material con una alta masa térmica que almacena energía, modera el efecto de temperaturas extremas externas y compensa o retrasa las temperaturas exteriores máximas. En otras palabras, el concreto puede almacenar o liberar grandes cantidades de energía térmica (calor), lo que resulta en una reducción de las variaciones de temperatura interior al exponer las superficies de pisos de concreto, techos o paredes al ambiente interior. En un clima cálido, las superficies de concreto expuestas pueden aprovechar las temperaturas nocturnas reducidas para moderar los cambios de temperatura diurnos. En un clima frío, las superficies de concreto expuestas pueden almacenar energía, y mantener el confort interior durante la noche.

Existen diversas soluciones fabricadas con poliestireno expandido, poliestireno extruido, poliuretano o una combinación de cemento con esferas de poliestireno que son usadas como material aislante.

 

Durabilidad y vida de servicio

La durabilidad del edificio se asocia con una larga vida útil o una vida útil más larga de lo esperado. Es importante considerar la durabilidad para entender los efectos financieros y ambientales a través del tiempo.

En la historia se pueden ubicar materiales que proporcionan estructuras robustas. El Panteón de Roma, encargado por Adriano y finalizado en el año 126 de nuestra era, es una impresionante estructura abovedada de concreto con una altura de 43 metros. Sigue en pie hoy en día, casi 1,900 años después, como uno de los mejor conservados de todos los edificios romanos. El concreto en la época romana estaba formado por cemento con puzolana.

En obras de infraestructura como puertos, aeropuertos, presas, carreteras y otros, la durabilidad adquiere especial relevancia por los ambientes y agentes adversos a los que están expuestas las obras.

 

Impacto económico

El impacto económico es uno de los tres principios de la sustentabilidad, junto con el impacto ambiental y el social. Cuando una empresa analiza el “triple resultado final”, es importante darse cuenta de que el componente económico debe estar relacionado con algo más que las ganancias internas de la empresa. El componente económico de la sustentabilidad se extiende a la comunidad local (o más allá de la comunidad global) y se integra con los impactos ambientales y sociales. El impacto económico en sí mismo debería ser sustentable para contribuir significativamente a la comunidad. La compleja interacción que resulta en un beneficio económico para la comunidad a través de la construcción sustentable es difícil de cuantificar. Una estructura de concreto, por ejemplo, resistente a los desastres reducirá las perturbaciones económicas debidas a los desastres naturales al permitir que las empresas, el empleo y el comercio que se encuentran dentro de estas estructuras comiencen a funcionar más rápidamente.

En los principios sociales y económicos de la sustentabilidad, el impacto local es un factor clave. Un edificio sustentable debería ser un “buen vecino” para la comunidad en términos de proporcionar empleo, estimular la economía local, constituir un punto focal positivo y no perturbar el área circundante. El concreto colado en sitio y prefabricado se produce utilizando materiales y mano de obra locales (incluido el transporte). Los materiales a menudo provienen de un radio de 160 km del sitio de construcción, y el concreto premezclado proviene de un radio de 50 km (generalmente mucho menos).

Una reducción en el costo de los materiales y la reutilización de materiales para hacer concreto puede tener un impacto económico muy directo y positivo. Las prácticas que fomentan la reducción en los costos de materiales iniciales han estado vigentes en la industria de la construcción durante décadas. El ahorro en la cantidad de material utilizado no sólo reduce el costo inicial, también reduce la cantidad de recursos naturales utilizados (materiales para los componentes del edificio y la energía utilizada para producirlos y transportarlos). El concreto (tanto premezclado como prefabricado) tiende a producirse localmente, por lo que también reduce los costos de transporte al tiempo que estimula la economía local. El ingeniero estructurista se esfuerza por tener secciones eficientes para soportar las cargas del edificio; el concreto pretensado o postensado puede contribuir a esa eficiencia con secciones transversales más pequeñas. Secciones tales como las losas de núcleo hueco pretensadas y postensadas proporcionan eficiencia con un peso reducido y brindan la oportunidad de utilizar los espacios huecos como conductos. Los elementos prefabricados reducen la formación de residuos en sitio, se pueden transportar y montar rápidamente, lo que se traduce en menos tiempo y mano de obra necesarios en el sitio.

 

Reciclaje

Un diseño eficiente e innovador puede reducir la cantidad total de estructura necesaria a través de la reducción de metraje cuadrado y volumen.

Componentes tales como paneles de concreto prefabricado, adoquines y bloques de mampostería tienen el potencial de ser reutilizados directamente. El proceso de fabricación del cemento también incluye la reutilización de materiales de desecho como pinturas, revestimientos, disolventes, residuos de fabricación de productos químicos y neumáticos viejos para encender el horno. Estos materiales a menudo se clasifican como desechos peligrosos, que requieren un tratamiento especial y la eliminación de la tierra. Las temperaturas alcanzadas en un horno son mucho más altas (más de 1,000 °C) que en un incinerador típico; por lo tanto, los materiales de desecho se someten a una combustión extremadamente rápida y completa. El uso de estos materiales como combustible en lugar de combustibles fósiles ahorra recursos no renovables y es posible deshacerse de manera segura de los materiales de desecho. El volumen de agua de lavado producida en una instalación de concreto premezclado es considerable. Esta agua ahora se está reutilizando cada vez más para hacer concreto nuevo, y también se empieza a utilizar agua de desecho de la industria alimentaria. Los subproductos industriales se utilizan como materiales cementicios suplementarios o reemplazo de cemento, y no sólo brindan una opción sustentable a través de la reutilización, sino que también mejoran las propiedades del concreto y reducen los costos. Los subproductos más comúnmente utilizados son cenizas volantes, humo de sílice y cemento de escoria.

Todo el concreto utilizado en un edificio se puede reciclar de alguna manera durante la demolición. El concreto endurecido se rompe y se convierte en escombros en el sitio; el refuerzo se elimina y puede reciclarse; el concreto demolido se puede usar directamente en el sitio para algunas aplicaciones, pero para su uso en concreto reciclado generalmente se envía a una planta para un procesamiento adicional. En la planta de reciclaje, el concreto se tritura hasta piezas de 65 a 75 mm. En ese punto, cualquier pieza de acero restante se puede quitar con un imán. La ronda final de trituración produce un tamaño agregado máximo de 20 a 25 mm (Comité ACI 555 2001); cualquier contaminante adicional se elimina luego si es posible. Los contaminantes como el petróleo, el plástico y la madera deben eliminarse lo suficiente para que el concreto se use como agregado de concreto, de modo que las propiedades del concreto reciclado no se vean afectadas negativamente.

El concreto hecho con agregados reciclados tiende a poseer una resistencia menor, que está relacionada con la resistencia del concreto original que se recicló para hacer el agregado. La fluencia, la contracción y la permeabilidad también tienden a ser más altas en el concreto reciclado (Hansen 1986).

 

Conclusiones

En cualquier tipo de edificación, obra de infraestructura o de ingeniería civil, el ciclo de vida debe ser concebido en forma integral, desde la extracción de las materias primas de los materiales de construcción hasta la eventual demolición y disposición de la estructura. Por otra parte, una edificación sustentable, desde su especificación y diseño, tiene incorporadas las características sustentables mínimas.

La edificación sustentable lleva intrínsecamente asociada la calidad, por lo que hay que apoyarse en una estructura de aseguramiento de la calidad, como laboratorios que vigilen la calidad de los materiales y normas que exijan documentar el impacto ambiental y social de los materiales: declaraciones ambientales y de salud de productos, contenidos de compuestos orgánicos volátiles e índices de reflectividad, entre otros.

Con los esfuerzos que se hagan hoy en día en la ingeniería civil para tener una construcción sustentable, se logrará revertir la tendencia de la huella ambiental mundial. Si logramos aumentar la construcción sostenible, para el año 2050 lograremos un equilibrio en la huella ambiental.

 

Referencias

Comité ACI 555 (2001). Removal and reuse of hardened concrete (ACI 555R-01). Farmington: American Concrete Institute.

Hansen, T. C. (1986). The second RILEM state of the art report on recycled aggregate concrete. Materials and Structures (1)111: 201-246.

Panel Intergubernamental de Cambio Climático, IPCC (2014). Climate change 2007: Synthesis report. Ginebra. Disponible en: http://www.ipcc.ch/. Consultado el 15 de enero de 2018.

 

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