1.
INTRODUCCIÓN
Dada su amplia gama
de aplicaciones en las diferentes formas de infraestructura, incluyendo
carreteras, puentes, edificios residenciales y no residenciales, aeropuertos,
terminales y puertos marítimos, entre otros, el concreto se ha convertido en el
material sintético de mayor consumo a nivel mundial [1].
Según su uso, el concreto suele tener diferentes componentes, sin embargo, el
cemento, los agregados finos, los agregados gruesos y el agua son los
principales materiales precursores [2].
Aunque el cemento representa solo entre el 10% y el 15% del peso total del
concreto, este es la principal fuente de emisiones de dióxido de carbono,
generando un impacto ambiental negativo dentro de la industria del concreto [3].
A medida que aumentan los requerimientos en infraestructura, también aumenta
la demanda de cemento [4]
y por tanto se genera una mayor emisión de dióxido de carbono [4],
tal como se muestra en la figura 1.
Figura
1. Producción mundial de cemento y emisiones de CO2 entre 1960 y 2010
Tal como lo muestra la
figura 1, acorde con la tendencia mostrada, se estima que las emisiones de
dióxido de carbono aumenten hasta cien mil millones de toneladas métricas para
el 2040. Se ha reportado que durante el proceso de producción de cemento [5], alrededor del 65% de
las emisiones del dióxido de carbono se deben principalmente a la calcinación
del carbonato de calcio y el 35% restante proviene de la energía necesaria para
alcanzar las temperaturas del proceso de sinterización (entre 1350 °C y 1450
°C), lo cual implica la generación directa (combustión de combustibles fósiles)
o indirecta (producción de electricidad) durante todo el proceso [6]. Durante la
descomposición térmica del carbonato de calcio (ecuación 1) en oxido de calcio
se producen 440 Kg de CO2 por cada tonelada de clinker.
(1)
Dado que el contenido
de CaO en el clinker asciende al 65%, se producen en total 510 Kg de CO2
por cada tonelada de clinker [7]. Asimismo, las
emisiones de dióxido de carbono por gasto energético, dependen del tipo de
combustible (petróleo, carbón, diésel, o combustibles alternativos), de hecho,
se reporta que en general, se emiten alrededor de 800-850 kg de CO2
por cada tonelada de cemento producida [8]. La emisión de
dióxido de carbono, proveniente de la industria del concreto, también es generada
por otros componentes como los agregados y los aditivos superplastificantes [9]. Hossain et al [10], estimaron que se
emiten 23 kg de CO2 equivalente por cada tonelada de agregado natural
procesado a partir de arena de río y 33 kg por tonelada procesada de piedra
triturada.
Para el caso de los
agregados gruesos, la trituración es la etapa que tiene el mayor efecto sobre
las emisiones de dióxido de carbono, mientras que, para los agregados finos,
las emisiones son generadas principalmente durante las etapas de cribado y
lavado, las cuales no siempre son necesarias [11]. Asimismo, las altas
emisiones de CO2 son el resultado de largas distancias de transporte
de los materiales al sitio de construcción de la obra. Los valores de las
emisiones de dióxido de carbono para los principales componentes en la
elaboración del concreto tales como: cemento [12], agregados finos [12], agregados gruesos [13], superplastificantes [14], incorporadores de
aire [13], acero de refuerzo [15], agua [12] y silica fumante [16], se muestran en la
figura 2.
Figura 2. Emisión de
dióxido de carbono de los diferentes precursores del concreto. Kg de CO2/Kg
de material
Tal como se observa
en la Figura 2, el cemento tiene el mayor efecto sobre la generación de dióxido
de carbono, y aunque se encuentra que la cantidad emitida por los agregados es
relativamente pequeña con respecto al cemento, estos generan una amenaza para
el medio ambiente, dado que sus fuentes de generación son finitas y no
renovables, provocando un agotamiento de los recursos naturales dada su elevada
demanda en la producción de concretos [9].
Esto plantea un desafío importante para la industria de la construcción, en la
búsqueda de materiales sustitutos de los precursores tradicionales, los cuales
puedan ser utilizados en la preparación de concretos modificados, de hecho,
existe una elevada oferta de materiales de naturaleza orgánica e inorgánica,
que dependiendo de su textura, forma, tamaño y otras propiedades, se pueden
reutilizar, en la industria de la construcción como sustitutos parciales o
totales de los agregados finos, gruesos y del cemento [17]. La elevada producción de materiales de desecho no
biodegradables, generalmente acompañada de problemas de eliminación y efectos
ambientales peligrosos, ha permitido que su incorporación en la preparación de
concretos se convierta en una solución potencial de residuos.
Entre los diferentes
materiales de desecho, los residuos de vidrio generan una enorme preocupación,
de hecho, cada año se producen más de un millón de toneladas de residuos de
vidrio en todo el mundo [18]. A diferencia de otros desechos, es un compuesto inerte
y no biodegradable, que permanece durante muchos años en el suelo y en las
fuentes hídricas, agotando el espacio para su disposición, por lo cual, se convierte
en una amenaza para el medio ambiente [19]. Una alternativa de uso para los residuos de vidrio es
triturarlo y emplearlo como reemplazo parcial o total de los agregados finos,
los agregados gruesos o el cemento en la preparación de concretos modificados [20]. La utilización de residuos de vidrio en la preparación de
concretos tiene múltiples ventajas tales como el bajo consumo energético
asociado a los procesos de adecuación y clasificación, en algunas veces
innecesarias, y la ausencia de compuestos químicos para su limpieza previo a su
incorporación en el concreto, por lo cual su uso como sustituto del cemento y
de los agregados ha sido ampliamente explorada por diversos autores. La figura 3,
muestra el aumento en el número de publicaciones relacionadas con la
utilización de residuos de vidrio como sustituto en la preparación de concretos
modificados.
Figura
3. Número de publicaciones en Scopus en los últimos 20 años
Como se muestra en la
figura 3, en los últimos 20 años, se ha visto un rápido aumento en el número de
publicaciones en este tópico de investigación, de 119 artículos en el 2000 a un
promedio de 927 artículos en los últimos tres años (2018-2020). Este incremento
evidencia claramente el interés por la investigación en este campo. Diferentes
publicaciones han presentado las propiedades en estados fresco (asentamiento y
densidad) y endurecido (densidad, resistencia a la compresión, resistencia a la
flexión, elasticidad, resistencia a la penetración de cloro, entre otras) de
concretos preparados a partir de vidrio como reemplazo de los agregados y el
cemento; sin embargo, ninguno ha presentado la estimación de las emisiones de
dióxido de carbono generadas durante la preparación de concretos modificados
con residuos de vidrio. Por tanto, existe la necesidad de estimar el efecto
de los residuos de vidrio no solo en las propiedades del concreto sino también
en las emisiones de dióxido de carbono, lo cual hace que este artículo de
revisión aborde una importante brecha de conocimiento.
Dada la elevada
producción de CO2 durante la preparación de concretos y la
posibilidad de utilizar residuos de vidrio como sustitutos en la preparación de
concretos, en este trabajo se presenta una revisión de literatura de concretos
preparados a partir de residuos de vidrio como reemplazo de los agregados
finos, gruesos y el cemento y la estimación de las emisiones de dióxido de
carbono. Este artículo está organizado de la siguiente manera, la primera
sección presenta una revisión de literatura de concretos preparados con
residuos de vidrio como reemplazo de los agregados finos y gruesos y el
cemento, en el asentamiento, la densidad y la resistencia a la compresión. La
segunda sección se concentra en el cálculo de las emisiones de dióxido de
carbono de los artículos presentados en la sección 1. En la parte final se
discuten los efectos de la incorporación de vidrio en las propiedades mecánicas
y las emisiones de dióxido de carbono. Se espera que esta revisión de
literatura permita avanzar en el conocimiento del uso de vidrio de desecho en
la preparación de concretos modificados y abordar los desafíos actuales en
cuanto a su uso como concreto verde dada su potencial de baja emisión de CO2.
2. MATERIALES Y
METODO
Revisión de literatura
Esta revisión inició
con la búsqueda bibliográfica en las bases de datos: Science Direct, ProQuest,
Springer y Scopus, seleccionando documentos tipo artículos en inglés, publicados
entre enero 2000 y diciembre del 2020. En la revisión se utilizaron las
palabras claves: compressive strength, recycled waste glass, concrete
aggregates, Eco-friend environment, CO2 emissions. El criterio de
selección de los artículos, se realizó por los títulos, posteriormente por el
resumen, excluyéndose aquellos que no abordaban la producción de concretos a
partir de residuos de vidrio. En esta revisión, se presentan y analizan los
resultados de 23 artículos seleccionados.
Calculo de las
emisiones de dióxido de carbono
La huella de carbono,
busca cuantificar la cantidad de dióxido de carbono equivalente generada
durante un proceso, bien o servicio en el ambiente [21]. El cálculo
de las emisiones totales de dióxido de carbono (Ecuación 1) tiene en cuenta la
emisión de cada una de las operaciones unitarias desarrolladas durante un
proceso [22]. Con base en
los factores de emisión de cada uno de los materiales utilizados, se calcularon
las emisiones totales de dióxido de carbono, tal como se describe en la
ecuación 1.
Ec.1
Donde: CE representa
las emisiones de CO2 (Kg totales de dióxido de carbono, Mi denota el
consumo de unidades de i-ésimo del material (i = cemento, agregado fino,
agregado grueso, y agua) y Fi denota el factor de emisión de carbono por peso
unitario de cada material de construcción i. Las cantidades de materiales
empleadas en este estudio se tomaron de los diseños de mezcla reportados en
cada uno de los artículos consultados en este trabajo. Los factores de emisión
de los materiales se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Emisiones de
CO2 de materiales
Para el cálculo del
factor de emisión, del vidrio, se tomó en consideración la cantidad de dióxido
de carbono emitido durante el proceso de disminución del tamaño de partícula
del vidrio, el cual se calculó como el producto entre la potencia por el tiempo
de uso por el factor de emisión de la energía eléctrica. El factor de emisión
de la energía eléctrica tomado en este trabajo fue de 0.21 Kg CO2/Kwh
[23].
4.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Los resultados de la tabla 2 muestran que los concretos preparados a partir de residuos de vidrio
tienen un efecto diferente en el asentamiento dependiendo del tipo de
reemplazo. Cuando se modifican los agregados finos se encuentra que un aumento
en el porcentaje de vidrio genera una disminución en el asentamiento (entradas
1-9, 22-39, 52-54); los autores asocian la disminución en el asentamiento de
las mezclas de concreto con la forma irregular de los residuos de vidrio, los
cuales presentan bordes afilados y alta rugosidad, lo cual genera una
disminución en la fluidez de la mezcla y por tanto del asentamiento. Asimismo,
se encuentra que cuando se reemplazan los agregados gruesos por residuos de
vidrio, un aumento en el contenido de estos últimos muestra una tendencia al
aumento en el asentamiento (entradas 60-73) como resultado de la baja cohesión
entre los agregados gruesos y las partículas de vidrio. De los resultados de la
tabla 2, se aprecia que cuando los residuos de vidrio reemplazan el cemento de
la mezcla, se encuentra una relación directa entre el porcentaje de reemplazo
de cemento y el asentamiento (entradas 85-90, 99-105, 111-115), que en general
se puede atribuir a la más baja cohesión de la pasta de cemento y los residuos
de vidrio, los cuales tienen superficies impermeables, de hecho, se ha
reportado que el mayor asentamiento está relacionado con la menor superficie especifica
del vidrio, lo que reduce la fricción entre las partículas [47]
Con respecto a la
densidad de los concretos modificados se observa una tendencia a su disminución
inversamente proporcional al aumento en el contenido tanto de agregados finos
(entradas 1-9, 26-29, 40-47) o gruesos (entradas 128-136), este comportamiento
en la mayoría de los casos reportados por los autores, fue atribuido a la
menor gravedad específica de los residuos de vidrio en relación a los
materiales pétreos Asimismo, se encuentra que la densidad del concreto
presenta dos tendencias en cuanto al contenido de cemento. Inicialmente, se
observa un aumento de la densidad (entradas 128-130, 133-134) lo cual fue asociado
con la formación de productos de hidratación que conducen a una disminución de
la porosidad. En segundo lugar una disminución de la densidad en función del
reemplazo de residuos de vidrio (entradas 135-136) fue asociada con la pérdida
del exceso de agua libre así como de la reducción del contenido de cemento que
tiene mayor peso específico [41]. Asimismo, de
la tabla 2 se puede observar que los valores más altos de la densidad se
alcanzaron para reemplazos de cemento del 20%, (entradas 103 y 136), las cuales
representa aumentos del 4% y del 1%, respectivamente, para las cuales se ha
sugerido que la reacción puzolánica entre el polvo de vidrio y el cemento se vuelve
mayor y conduce a formar una mayor cantidad de productos de hidratación.
Con respecto a la
resistencia a la compresión se encuentra un comportamiento completamente
diferente, dependiendo del tipo de material de reemplazo, cuando se reemplazan
los agregados finos, en general, los autores reportan una resistencia
ligeramente superior a la mezcla tradicional (entradas 5, 9, 17-21, 23-34, 27,
31, 49-1, 54-54); los autores coinciden en asociar el aumento de la resistencia
con la naturaleza fina de los residuos de vidrio, los cuales proporcionan un
efecto de relleno, además, la reacción entre el hidróxido de calcio proveniente
de la hidratación del cemento y la sílice presente en el vidrio permite una
mayor formación de hidrato de silicato de calcio, así como la densificación de
la microestructura de la zona de transición intersticial [25]. El aumento de
la resistencia, también es atribuida a la naturaleza angular de los residuos de
vidrio, en comparación con las partículas de agregados fino, los cuales por
naturaleza de forma redondeada [18]. La mayoría de los autores coinciden en una
tendencia parabólica entre el porcentaje de reemplazo de vidrio y la
resistencia a la compresión con un máximo observado para el 20% de sustitución
de los agregados finos donde los autores reportaron aumentos del 23% (entrada
4) [24], 4% (entrada
9) [25] 15% (entrada
24) [28], 6% (entrada
27) [29] y 9.52%
(entrada 50) [32]. Igualmente se
puede apreciar que el reemplazo de los agregados gruesos por residuos de
vidrio, muestra una tendencia a la disminución de la resistencia (entradas 56-59,
61-64, 67-69, 72-73) con el aumento en el contenido de residuos de vidrio,
donde la mayoría de los autores reportados en este trabajo coinciden en que los
residuos de vidrio, dan lugar a la formación de grietas y provocan una adhesión
incompleta con la interface de la pasta de cemento. Asimismo, la geometría
irregular de los residuos, no permite una distribución homogénea de agregados.
Con relación a la sustitución del cemento por residuos de vidrio los reportes
de los autores muestran tendencias en la resistencia a la compresión directa e
inversamente proporcional con el contenido de vidrio, el cual ha sido atribuido
principalmente al efecto combinado de la reacción puzolanica entre el cemento y
el vidrio, así como el efecto de relleno de este último.
Como se discute
previamente, el efecto que tiene la sustitución de los precursores
tradicionales del concreto por residuos, se obtiene un mejor efecto en la
resistencia cuando se sustituyen los finos y el cemento dado se efecto positivo
en esta propiedad. Los resultados del porcentaje de incremento o reducción en
las emisiones de dióxido de carbono en función del porcentaje de reemplazo del
cemento, agregados gruesos y agregados finos de muestran en la figura 4.
Figura 4. Porcentaje de
emisiones de dióxido de carbono en función del porcentaje de reemplazo de
material
Tal como se puede
observar en la figura 5 el reemplazo de los agregados finos o gruesos por
residuos de vidrio durante la preparación del concreto no representa cambios
significativos en las emisiones de dióxido de carbono, en particular aumentos
promedios del 10%, 20%, 30%, 40%, 50% y 60% en el porcentaje de reemplazo de
los agregados finos por residuos de vidrio generan aumento del 0.005%, 0.01%,
0.016%, 0.022%, 0.028% y 0.031% respectivamente. El mismo comportamiento se
observa para reemplazos de los agregados gruesos, los cuales mostraron aumentos
promedios en la emisión de dióxido de carbono del 0.008%, 0.016%, 0.019%,
0.022%, 0.032% y 0.036% para los mismos porcentajes de reemplazo, fenómeno
atribuido a los bajos factores de emisión de ambos agregados ligeramente mayor
para los agregados gruesos (0,0062 Kg CO2/Kg Material) que para los
agregados finos (0,0050 Kg CO2/Kg Material). De hecho, los valores
encontrados en este trabajo están en línea con reportes previos de otros
autores [48], [49] quienes han
reportado reducciones insignificantes en las emisiones totales de dióxido de
carbono por efecto de modificación de los agregados. A pesar de que el
reemplazo de los agregados finos por residuos de vidrio no contribuye a la
reducción de las emisiones de CO2, se espera que el uso de vidrio
aporte a otros beneficios ambientales, como la conservación de los recursos
naturales, la reducción del impacto del acopio y la extensión del ciclo de vida
de los materiales involucrados.
Asimismo, de la figura
5, se puede observar que, con la inclusión de residuos de vidrio en reemplazo
del cemento, las emisiones de dióxido de carbono se reducen linealmente en
relación con el aumento en el contenido residuos de vidrio, de hecho, porcentajes de
reemplazo del 10%, 20%, 30%, 40%, 50% y 60% generan una disminución promedio
del 10%, 19%, 30%, 39.5%, 40% y 60% en las emisiones de dióxido de carbono
comparados con el concreto tradicional. De hecho, de estos resultados se
infiere que el cemento, representa la principal fuente de emisión de CO2
durante la fabricación de concreto y por tanto su reemplazo genera mayores
disminuciones. Los resultados encontrados son consistentes con los reportados
por Alnahhal et al [50], quienes
calcularon el 84,4% para el hormigón convencional y el 87,1% para el hormigón
con 100% de áridos gruesos de hormigón reciclado, y por Jiménez et al [51], quienes
estimaron un 88,8% para los primeros y un 91,1% para los segundos.
De los resultados
mostrados en la tabla 2 y de la figura 5, se encontró que el aumento en la
resistencia fue más pronunciado con el reemplazo de los agregados finos,
mientras que la disminución en las emisiones de dióxido de carbono es efectiva
con el reemplazo del cemento. Asimismo, un análisis combinado de ambas
propiedades permite identificar que el incremento en el contenido de vidrio
tiene relación directa con la resistencia a la compresión e inversa con las
emisiones de CO2 de hecho, se encontró que para un porcentaje de
reemplazo del 20% se encuentra el óptimo en la resistencia a la compresión y
solo emiten el 78% del dióxido de carbono, con respecto al material
tradicional.
Acorde con los
requerimientos actuales de concreto en Colombia los cuales alcanzaron 0.45
millones de metros cúbicos, si se reemplazara el 20% del cemento por residuos
de vidrio, se producirían 106 millones de kilogramos de dióxido de carbono las
cuales representan el 78% de las emisiones del concreto tradicional. Los
resultados encontrados en este trabajo permiten determinar la viabilidad del
uso de los residuos de vidrio como material sostenible para la producción de
concretos en aras de reducir las emisiones de CO2 durante la
producción de este material.
5.
CONCLUSIONES
En este estudio se
realizó una revisión de literatura de concretos modificados con residuos de vidrio
en reemplazo de los agregados finos, gruesos y el cemento, asimismo, se incluyó
el cálculo de las emisiones de dióxido de carbono. Los resultados permitieron
concluir que un aumento en el porcentaje de reemplazo genera un aumento en la
resistencia a la compresión cuando el reemplazo incluye agregados finos o
cemento, mientras que se evidencia una disminución en la resistencia cuando se
reemplazan los agregados gruesos. El cálculo de las emisiones de dióxido de
carbono, permitió3 determinar que reemplazar los agregados por residuos de
vidrio no genera un cambio significativo en las emisiones de dióxido de
carbono, sin embargo, un reemplazo hasta del 60% del cemento genera una
disminución del 60% del dióxido de carbono. Sin embargo, existe una tendencia
inversa entre el aumento la resistencia a la compresión y la disminución de las
emisiones, por tanto, se encuentra que un reemplazo del 20% del cemento por
residuos de vidrio permite disminuir las emisiones de dióxido de carbono e
incrementar la resistencia a la compresión hasta en un 23%. La revisión de
literatura proporciona información valiosa con respecto a la incorporación de
residuos de vidrio como reemplazo del cemento, generando una alternativa no
solo para exitosa de los residuos de vidrio, principalmente como que reemplazo
del cemento, minimizando no solo la reducción de las emisiones de dióxido de
carbono sino también la cantidad de residuos que actualmente ingresan a los
vertederos y mitigan la problemática ambiental generada asociada con los mismos.
6.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen
al proyecto INV2731 por el apoyo financiero en el desarrollo de
este trabajo de investigación,.
7.
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