ESTIMACION DE LAS EMISIONES DE CO2 DE CONCRETOS MODIFICADOS CON RESIDUOS DE VIDRIO

ESTIMATING CO2 EMISSIONS OF CONCRETE CONTAINING WASTE GLASS

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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 [10]. 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.

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].

La tabla 2 muestra el autor, año de publicación n, titulo, tipo y porcentaje de reemplazo, y las propiedades en estado fresco (asentamiento) y endurecido (densidad y resistencia a la compresión) de concretos modificados con residuos de vidrio

Tabla 2
autor, año de publicación, titulo, tipo y porcentaje de reemplazo, asentamiento, densidad y resistencia a la compresión de concretos modificados con residuos de vidrio

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.

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.

Como citar este artículo: Buriticá-Cardona, Y., Cataño-Ramos, W., A. & Arbeláez-Pérez, O., F. (2022). Estimación de las emisiones de CO2 de concretos modificados con residuos de vidrio. Revista Politécnica, 18(35), 52-70. https://doi.org/10.33571/rpolitec.v18n35a3

https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/1931/2012 (html)

https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/1931/2000 (pdf)

Los autores agradecen al proyecto INV2731 por el apoyo financiero en el desarrollo de este trabajo de investigación,.