Los comités de ASTM están desarrollando nuevos estándares para ir al compás de la rápida evolución de la tecnología del concreto.

By Jack Maxwell

Jan 05, 2022

El concreto es algo que resulta fácil dar por sentado. Este versátil material de construcción es tan familiar y tiene una presencia tan ubicua en el entorno edificado que a veces dejamos de prestarle atención.

Claro está que los profesionales de la industria que buscan formas de mejorar la economía y el desempeño del concreto y reducir sus impactos ambientales están prestando atención. Están desarrollando nuevos materiales y mezclas de concreto, aplicando nanotecnología de vanguardia para mejorar la ductilidad y resistencia a la compresión de este material y buscando nuevas formas de incorporar materiales reciclados en el producto final.

Este trabajo está marcando la dirección hacia un futuro más verde del concreto, aunque llegar allí requerirá una aceptación más amplia por parte de la industria de la construcción. Una de las claves para tal aceptación es el establecimiento de especificaciones de los materiales, métodos de prueba y otros nuevos estándares que den a los usuarios finales alternativas a los enfoques tradicionales. Aquí es donde interviene ASTM International.

El comité sobre cemento (C01) se formó hace más de 100 años, en 1909, y contempla los cementos Portland y mixtos. El comité sobre concreto y agregados de concreto (C09) data de 1914 y se encarga de los materiales suplementarios a base de cemento (SCM). Los dos grupos se reúnen las mismas semanas de comités dos veces por año, y muchos miembros participan activamente en ambos.

Los estándares publicados por estos grupos han impulsado desarrollos paralelos en la tecnología de concreto a lo largo de las décadas. Hoy en día, en una era donde las continuas mejoras en la recopilación de datos, el poder informático y la comunicación global están contribuyendo a acelerar el desarrollo de nuevos productos y tecnologías, la capacidad de establecer estándares relacionados es más importante que nunca.

El concreto y el agua

Una de las primeras cosas que revela una búsqueda en Internet cuando introduces el término "concreto" es este sorprendente hecho: después del agua, se dice que es la sustancia más ampliamente utilizada sobre la Tierra. Otra estadística: cerca de tres cuartas partes de la población del mundo viven en alguna estructura que incluye alguna forma de concreto.

"El concreto es el material de construcción más utilizado a nivel global, con más de una tonelada utilizada por persona anualmente", señala el Dr. Doug Hooton, profesor emérito del Departamento de Ingeniería Civil y Mineral de la Universidad de Toronto y presidente del comité C01. "Es popular porque se fabrica a partir de materiales locales, se le puede dar cualquier forma, es resiliente (al fuego, a tormentas fuertes, etc.) y es durable cuando se diseña y construye correctamente".

Según la Global Cement and Concrete Association, se produjeron 14 millones de metros cúbicos (aproximadamente 18 millones de yardas cúbicas) de concreto en 2020. La firma consultora AlliedMarketResearch estima que el mercado global de concreto generó más de USD 617 mil millones el mismo año. Dado el sostenido crecimiento de las economías en desarrollo por todo el mundo y los nuevos compromisos con la inversión en infraestructura en los EE. UU., se espera que esta cifra llegue a cerca de un billón de dólares para 2030.

Si tomamos en cuenta su versatilidad y durabilidad, no es sorprendente que el concreto sea tan omnipresente. No obstante sus muchos atributos positivos, el concreto también conlleva costos ambientales. Para entender mejor esta cuestión y las innovadoras formas en las que la industria está trabajando para abordarla, es útil comprender cómo se hace el concreto.

Cemento y concreto

Muchas personas creen que el concreto y el cemento son la misma cosa, pero no es así.

El concreto es el producto final, un material relativamente simple que se compone de solo un puñado de ingredientes: agua, agregados (como arena, grava y/o piedra triturada) y cemento. Nótese que el cemento es un ingrediente del concreto, el material que reacciona con el agua y mantiene unidos los demás componentes. Hooton lo llama "el principal aglutinante y la columna vertebral del concreto por más de dos siglos".

Hay muchos tipos de concreto, pero el más común es el cemento Portland (llamado así por su semejanza con la piedra extraída de las canteras de la isla de Portland, en Inglaterra). La especificación estándar de ASTM para el cemento Portland (C150/C150M) contempla 10 tipos distintos para aplicaciones específicas.

Los principales bloques de construcción de esa fórmula son la piedra caliza y la arcilla, mientras que otros ingredientes pueden incluir conchas, yeso o marga, pizarra, escorias de horno de arco eléctrico, arena de sílice y mineral de hierro. Transformar esta mezcla en una forma utilizable exige una gran cantidad de energía, lo que representa un desafío ambiental.

"Para fabricar cemento Portland, los productores mezclan piedra caliza, compuesta principalmente por carbonato de calcio, con arcilla o pizarra y procesan la mezcla resultante en un horno a temperaturas muy altas", explica Hooton. "En el horno, el calcio pierde su carbono, que se expulsa como dióxido de carbono gaseoso y, posteriormente, se combina con la sílice, la alúmina y otros elementos que hay en la arcilla para crear clínker, el precursor del cemento. El cemento Portland se obtiene entonces moliendo el clínker con yeso, formando un polvo fino".

Las implicaciones ambientales de este proceso son dobles. Una es el dióxido de carbono gaseoso que se emite durante las reacciones que tienen lugar en el horno, y la otra son las emisiones de los combustibles fósiles que se queman para calentar el horno. El resultado, según Hooton, es que "por cada kilogramo de clínker para cemento que se produce, se emite una masa casi equivalente de CO₂".

Comprender la función del clínker en la producción de concreto nos lleva a una conclusión bastante evidente: reducir el contenido de clínker es una buena forma de reducir la huella de carbono del cemento y, en última instancia, del concreto. Los estándares de ASTM son una herramienta importante para alcanzar este objetivo sin afectar adversamente las propiedades del concreto.

Materiales suplementarios a base de cemento

Recortar la cantidad de clínker requerida para fabricar concreto exige el reemplazo de una porción de cemento Portland con materiales alternativos. Una fuente de dichos materiales es, hablando figuradamente, el cesto de basura.

"Se promueve altamente el uso de materiales reciclados en el concreto, y lo hemos estado haciendo por décadas en la forma de cenizas volantes, cemento de escoria y humo de sílice", dice el Dr. Richard Szecsy, director de operaciones de Charley's Concrete y presidente del comité C09. "En los últimos años, también hemos incluido agregados reciclados, agua reciclada y concreto devuelto".

Los estándares de ASTM para las cenizas volantes, el cemento de escoria y el humo de sílice, que caen en la categoría de materiales suplementarios a base de cemento, incluyen la especificación estándar para el cemento de escoria para utilizar en concreto y mortero (C989/C989M), la especificación estándar para el humo de sílice utilizado en mezclas a base de cemento (C1240) y la especificación estándar para cenizas volantes de carbón y la puzolana en bruto o calcinada para utilizarse en concreto (C618).

Las puzolanas son una amplia clase de SCM de ocurrencia natural y de producción industrial que, cuando se muelen finamente y se mezclan con cemento u otras fuentes de calcio, reaccionan químicamente para formar compuestos con propiedades cementicias. El vidrio reciclado molido es un ejemplo de una puzolana artificial que está contemplado en la especificación estándar para la puzolana de vidrio molido para utilizarse en concreto (C1866/C1866M), publicada en 2020.

No obstante, no todo el vidrio reciclado se produce de la misma manera. "Ciertos tamaños y ciertas composiciones químicas pueden ser problemáticos", destaca Szecsy. "No es que no puedan utilizarse, solo que es un proceso más complejo que simplemente añadir 10 kilogramos a una carga de concreto. Es por eso por lo que ASTM es tan importante. Siempre son bienvenidas las propuestas de nuevas ideas, uso de materiales, etcétera. Solo que tendrán que revisarse mediante el proceso consolidado de ASTM".

Hooton resalta que existen muchas fuentes de puzolanas de ocurrencia natural además de los materiales reciclados antes descritos. "La especificación estándar C1897 es importante para evaluar la reactividad puzolánica de estos materiales, que puede variar ampliamente debido a las diferencias geológicas".

Cementos mixtos

Los cementos mixtos son otra opción para reducir el impacto ambiental del concreto. La especificación estándar C595/C595M de ASTM es el documento de referencia pertinente.

"La especificación estándar C595 es fundamental para los cementos mixtos", dice el Dr. Paul Tennis, director sénior de Investigación y Estándares de Productos en la Portland CementAssociation, refiriéndose a la especificación para cementos hidráulicos mixtos (C595). "La industria promueve activamente el uso de cementos Portland con caliza (de tipo IL) según lo definido en la especificación C595. Su disponibilidad es amplia y su huella de CO₂ puede llegar a ser un 10 % inferior a la de los cementos Portland ordinarios mientras muestran características de fuerza y durabilidad similares".

Hooton añade que los cementos de tipo IL pueden usarse en conjunto con SCM añadidos por separado o en cementos mezclados en planta (de tipo IT) para reducir aún más el contenido de clínker del aglutinante y, en consecuencia, la huella de carbono del concreto. Szecsy enfatiza que el uso de estos materiales y sus efectos en el producto final de concreto se examinaron cuidadosamente durante el riguroso proceso de desarrollo de estándares de ASTM. "Una parte de ese proceso es asegurarse de que el impacto de los estándares para el usuario sea plenamente notable, perceptible y pueda medirse", dice.

La promesa de la nanotecnología

Mejorar el perfil ambiental del cemento y, por extensión, del concreto, es uno de los principales puntos focales de la industria. En los EE. UU., el Mapa de Ruta hacia la Neutralidad de Carbono en 2050 de la Portland CementAssociation se publicó al mismo tiempo que el documento "Concrete Future: The GCCA 2050Cement and Concrete IndustryRoadmapfor Net Zero Concrete" (El futuro del concreto: el mapa de ruta de la industria del cemento y el concreto hacia un concreto neutro en carbono en 2050 de la GCCA), publicado por la Global Cement and Concrete Association, lo que demuestra el nivel del compromiso internacional con este objetivo. Esfuerzos para reducir la huella del cemento y el concreto como los anteriormente descritos encajan en este marco de trabajo.

Dichas iniciativas, no obstante, no son los únicos desarrollos emocionantes en el campo del concreto. Otro de ellos es la nanotecnología, definida por la NationalNanotechnologyInitiative del gobierno de los EE. UU. como "ciencia, ingeniería y tecnología conducidas a nanoescala, que abarca de 1 a 100 nanómetros". (Un nanómetro es, aproximadamente, una milmillonésima de un metro; explicado de otra forma, hay cerca de 25 millones y medio de nanómetros en una pulgada).

En el contexto del concreto, pueden conseguirse mejoras en la resistencia a la compresión y la ductilidad mediante la incorporación de nanomateriales. "La nanotecnología es verdadera tecnología de vanguardia", dice Szecsy. "No creo que estemos cerca de entender su potencial. Se parece a los chips de computadora en el sentido de que la velocidad de desarrollo con la nanotecnología es más rápida que nuestra capacidad de capturar sus usos y medidas en documentos rectores, lo que representa un problema enorme".

Hooton señala que hay investigaciones en curso sobre la forma en que los nanocarbonatos, el grafeno y la nanosílice pueden mejorar la hidratación y el empaquetamiento de partículas del cemento. También hay esfuerzos en curso para abordar el uso de estos aditivos por el lado de los estándares. Un ejemplo de ello es el borrador de la especificación para el uso de sílice coloidal en el concreto (WK60809), que actualmente examina el uso de este nanomaterial.

"En su forma más pura, la sílice coloidal es una nanotecnología con partículas de sílice cuyo diámetro varía entre 1 y 100 nm que permanecen dispersas uniformemente en la solución, sin asentarse ni sedimentarse por un tiempo significativo", explica el Dr. Jon Belkowitz, director técnico de la firma Intelligent Concrete y miembro del comité C09. "Las partículas de sílice pueden fabricarse para distribuciones específicas de tamaño de partícula, contenido de sílice o ambas para satisfacer una variedad de aplicaciones".

Con el tiempo, continúa Belkowitz, el elemento de trabajo producirá una especificación estándar para la sílice coloidal para usarse en el concreto. "En última instancia, el objetivo es dar a la entidad que adquiera sílice coloidal para concreto un medio para evaluar que el producto que se haya pedido sea el producto que se entregó".

Un ejemplo del tipo de mejora del desempeño que la nanotecnología puede brindar es el concreto de ultraalto desempeño (UHPC). "Este concreto no utiliza agregado grueso. Junto con mezclas de químicos poliméricos, combina cemento Portland con puzolanas finas o polvos inertes para optimizar el empaquetamiento de partículas hasta la nanoescala, proporcionando una muy alta resistencia a la compresión y una excelente respuesta al ingreso de fluidos agresivos", dice Hooton. "Con frecuencia, el UHPC también incorpora microfibras que proporcionan gran fuerza flexural y ductilidad, lo que puede eliminar o reducir la necesidad de barras de refuerzo. Sus propiedades se aproximan a las del acero estructural".

El elemento unificador

"El siempre cambiante panorama de los materiales, el diseño de mezclas y los tipos de aplicaciones del concreto ha obligado a ingenieros, arquitectos y contratistas por igual a buscar tecnologías nuevas y emergentes para resolver los problemas del concreto del mundo real", afirma Belkowitz.

Szecsy se hace eco del comentario de su colega resaltando que, después de la seguridad, la velocidad es el segundo aspecto más crítico de todos los proyectos de construcción. Esta necesidad de velocidad impulsa la demanda de tecnologías de vanguardia como la sílice coloidal y el UHPC, y destaca el rol fundamental que tiene ASTM en el respaldo de una adopción más generalizada de estas nuevas opciones.

"Los mayores desafíos frente a tecnologías nuevas y emergentes tienen que ver con la clasificación y la medición universales", dice Szecsy. "Es aquí donde ASTM reafirma su posición como líder global en el desarrollo de estándares y especificaciones". Ya se trate de un nuevo producto o método de prueba, los documentos de ASTM son los mapas de ruta, los límites para que tales tecnologías sean aceptadas. Las especificaciones y estándares de ASTM son el elemento unificador".

Szecsy concluye promoviendo la participación individual y corporativa en los comités. "Hay muchas empresas que utilizan los estándares y especificaciones de los comités C09 y C01. Todas ellas deberían tener una voz en los documentos que rigen nuestra industria", dice. "Las empresas tienen que darse cuenta de que el apoyo financiero y la inversión por participar en ASTM no son algo que pueda medirse con un ROI al igual que una pieza de equipo. Se trata de una inversión para garantizar el desarrollo continuo y el equilibrio con los documentos que, de forma muy literal, gobiernan nuestro negocio".

Jack Maxwell es un escritor independiente que reside en Westmont, Nueva Jersey, EE. UU.