La nueva metodología -desarrollada por un equipo de investigadores del ETH Zurich- busca predecir el comportamiento y la vida de servicio de estructuras de hormigón armado con un modelo basado en las condiciones climáticas del sector donde se instala el elemento. De acuerdo con los primeros resultados, este nuevo enfoque permitiría a los ingenieros utilizar hormigones de bajo carbono de manera más amplia sin crear problemas futuros de mantenimiento.
Fuente: ETH Zurich
Que el hormigón sea el segundo elemento más consumido por el ser humano después del agua, tiene todo el sentido: las ciudades, ya sean edificios, caminos o viviendas, se construyen con este material. De hecho, un informe de Naciones Unidas estima que para el año 2050, la población urbana aumentará de un 45% a un 68%. Esto significa que se utilizará aún más concreto para construir la infraestructura que falta para ese aumento de personas que vivan en las ciudades.
El uso del hormigón trae consigo una externalidad climática inherente a la producción de la materia prima del material, el cemento, que es la emisión de CO2 a la atmósfera, debido al uso intensivo de energía -en este caso, combustibles fósiles- para esta etapa del proceso.
En ese sentido, la academia, ya sea en colaboración con la industria o en investigaciones independientes, desde hace varios años viene desarrollando tecnologías para reducir las emisiones, con desarrollos que apuntan desde el uso de combustibles alternativos, la captura de CO2 para “secuestrarlo” permanentemente en el material al reemplazo del clínker, cuyo proceso es el que más emisiones tiene asociadas por el intensivo uso de energía para su producción.
Estos tipos de nuevos cementos permiten la fabricación de los denominados “hormigones de bajo carbono”. ¿Cuál es el inconveniente? Que este tipo de hormigones a menudo se carbonatan -el proceso químico en el que el dióxido de carbono del ambiente penetra por los poros del material, interactuando con la humedad del concreto y disminuyendo su alcalinidad, afectando al acero de refuerzo y provocando su oxidación- más rápido que el concreto tradicional, afectando su desempeño.
Por eso mismo, los estándares constructivos actuales buscan proteger al acero de la corrosión el mayor tiempo posible. Sin embargo, este enfoque pone a los “hormigones verdes” en una cierta desventaja frente al concreto tradicional, lo que en la práctica significa que su adopción en obra es más compleja. Frente a este escenario, investigadores del ETH Zurich desarrollaron una nueva metodología que involucra las condiciones climáticas para predecir la vida útil de una estructura de hormigón armado, lo que permitiría el uso de hormigones bajos en carbono para los proyectos.
Mismo hormigón, distintas condiciones climáticas
Para los investigadores, los actuales enfoques para las normas constructivas son demasiado acotadas y, de acuerdo con Cristhiana Albert, candidata a Doctorado del Instituto de Materiales Constructivos del ETH Zurich, lo que realmente importaría es la rapidez con la que, posteriormente, se oxida el acero.
En ese sentido, la humedad es fundamental, ya que determina la velocidad con la que se oxida el refuerzo del hormigón. Según Albert, si el concreto está mojado, este proceso puede ocurrir hasta cien veces más rápido que cuando está seco. En cambio, al analizar la composición de las mezclas del hormigón para esta investigación, las diferencias resultaron significativamente menores.
Los investigadores estudiaron tres mezclas de concreto de cuatro ubicaciones distintas, con condiciones climáticas diferentes: Zurich, Bergen (Noruega), Manaos (Brasil) y Huailai (China). Luego, incorporaron data climática detallada a un modelo que simuló las fluctuaciones en los niveles de humedad dentro del hormigón con el tiempo y así, mostrar qué tan rápido se oxida el acero dentro del concreto.
Para Ueli Angst, Ph.D. en Ciencias de los Materiales de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) y profesor asociado del Departamento de Ingeniería de los Materiales del ETH Zurich, uno de los hallazgos que le sorprendió particularmente fue que “el clima juega un rol mucho más importante que el que pensábamos. El mismo hormigón se puede comportar de una manera completamente distinta en un clima diferente”. Sin embargo, los estándares europeos actuales clasifican los cuatro lugares de las muestras en la misma categoría, “alternando entre seco y húmedo”.
Esto se notó en particular en Bergen y Manaos, donde los niveles de lluvia se encuentran alrededor de los 2.500 milímetros al año. Sin embargo, los cálculos mostraron que el acero de refuerzo se corroe a velocidades distintas. Esto, se produce porque el hormigón absorbe el agua más rápido, pero se seca de manera lenta.
El factor clave, no obstante, es el patrón de alternancia entre los periodos húmedos y secos. Los cálculos del modelo también mostraron que ciertos tipos de hormigones de bajo carbono analizados pueden durar 50 años o más, dependiendo de su ubicación geográfica, pero pueden sufrir daño de manera anticipada bajo diferentes condiciones. La precipitación anual o la humedad media, por sí mismas, aportan poca información sobre el grado de corrosión del acero de refuerzo en el hormigón.
Derribando mitos de los “hormigones verdes”
Luego de analizar los datos entregados por el modelo, los resultados reflejaron que el hormigón de bajo carbono -el “concreto verde”- no tiene, como regla, una menor durabilidad que el material tradicional.
En términos de resistencia, dicen los investigadores, los hormigones de bajo carbono pueden equipararse a los concretos “normales”. La pregunta fundamental es cómo se comporta a lo largo de las décadas. Puede que el hormigón pierda más rápidamente su efecto protector sobre el acero. Sin embargo, si el hormigón no permanece húmedo de manera continua, el acero de refuerzo se oxidará muy lentamente durante un periodo de tiempo más prolongado.
“Tenemos que obtener una mejor comprensión sobre cómo los diferentes tipos de hormigones verdes se comportan a largo plazo bajo distintas condiciones climáticas”, comentó Albert. En vez de utilizar el mismo tipo de concreto en todas partes, de acuerdo con las mismas reglas, en el futuro, se debiese dar mayor consideración a la ubicación de la estructura y las condiciones climáticas del lugar. Ya no existirá una solución única que funcione igual de bien en todas partes. En regiones particularmente húmedas, por ejemplo, se necesitarán medidas adicionales para reducir la entrada de agua.
Este nuevo enfoque también podría ser útil para superar la barrera de adopción de los materiales para la construcción bajos en carbono. Muchos de los métodos para ensayarlos en la actualidad se desarrollaron para cementos convencionales y fallan en medir las propiedades específicas de tipos de hormigones amigables con el medioambiente. “Como resultado de eso, los actuales estándares pueden convertirse en un obstáculo para el desarrollo de materiales ambientalmente más amigables”, subrayó Angst.
Avanzando hacia un modelo predictivo escalable
Si bien el desarrollo de este nuevo enfoque para determinar la vida útil de hormigones de bajo carbono se basa en un modelo que concentra su análisis en datos climáticos de determinadas regiones, su aplicación aún está en fase experimental. Esto, porque los cálculos que exige esta nueva metodología de predicción de vida útil del hormigón son complejos y aún requieren ensayarse en estructuras reales.
A largo plazo, los investigadores buscan desarrollar un método más sencillo para evaluar nuevos tipos de hormigón con mayor rapidez, sin tener que esperar décadas para obtener los datos y la experiencia de estructuras reales.
Además, este nuevo enfoque cobra mayor relevancia en el actual contexto de cambio climático: si la frecuencia y duración de los periodos de lluvias y sequías cambian, también podría cambiar la velocidad a la que el acero de refuerzo del hormigón se oxida. En el futuro, un “ensayo climático” de esta clase podría revelar, en el largo plazo, cuál tipo de hormigón bajo en carbono es el más adecuado para cada ubicación.
