Biocarbón en hormigón: una revolución sostenible en materiales de construcción

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El hormigón es el material más utilizado en la Tierra después del agua. Es fuerte, barato y esencial; al mismo tiempo, también es una de las mayores fuentes individuales de CO₂ industrial. Por lo tanto, reemplazar incluso una pequeña porción de sus ingredientes puede proporcionar una manera de reducir las emisiones y almacenar carbono durante décadas en el material.

El uso de biocarbón, un material poroso rico en carbono que se produce calentando residuos orgánicos como madera, residuos de cultivos o conchas en condiciones de bajo oxígeno, es una de las alternativas más prometedoras a las materias primas tradicionales del hormigón.

Cuando se usa con cuidado, el biocarbón puede mejorar la hidratación, aumentar la resistencia temprana, reducir la conductividad térmica y servir como un sumidero de carbono estable dentro del concreto. Este artículo recopila los hallazgos clave, los mecanismos y la orientación práctica sobre el hormigón con biocarbón.

¿Qué es el biocarbón?

El biocarbón se produce calentando biomasa en un ambiente con poco oxígeno. Dependiendo de la materia prima (madera, paja, cáscara, estiércol, etc.) y de la temperatura de pirólisis y el tiempo de residencia, la composición física y química del biocarbón varía ampliamente. Estas diferencias influyen en cómo se comporta el biocarbón en el hormigón, incluida su absorción de agua, química de la superficie, contenido de cenizas/minerales y estabilidad.

Propiedades químicas del biocarbón

1. Porosidad y área de superficie
   La pirólisis libera materia volátil y crea microporos, mesoporos y macroporos dentro de la materia prima. Temperaturas más altas en el rango de 600°C a 900°C aumentan el área de superficie y la microporosidad pero reducen el rendimiento del biocarbón. La estructura de los poros determina la ingesta de agua en la mezcla de hormigón (y, por tanto, la trabajabilidad), así como la capacidad de adsorber CO₂ y albergar la nucleación de productos de hidratación.
2. composición quimica
   El biocarbón retiene minerales residuales, incluidos potasio, calcio, magnesio, silicio, fósforo y ocasionalmente metales pesados, según la materia prima. Esos óxidos inorgánicos pueden acelerar la hidratación, pero un alto contenido de cenizas o metales problemáticos requiere una selección cuidadosa de la materia prima para evitar la durabilidad o problemas ambientales.
3. Tamaño de partícula
   Moler el biocarbón a tamaños comparables con las partículas de cemento (a menudo <75–125 μm) mejora el empaquetamiento, reduce el atrapamiento de aire y evita inclusiones débiles. Sin embargo, una molienda agresiva puede dañar la estructura de los poros y reducir el efecto del depósito. Por lo tanto, seleccione la distribución de tamaño de partícula adecuada se convierte en un parámetro de diseño crítico.

Efecto del biocarbón sobre las características del hormigón fresco.

La principal influencia del biocarbón en estado fresco proviene de la absorción de agua y de su superficie específica:

1. Trabajabilidad
   El biocarbón poroso absorbe el agua de la mezcla, reduciendo el agua libre y, por lo tanto, disminuyendo el asentamiento/trabajabilidad; incluso pequeñas sustituciones (2 a 5% en masa de cemento) pueden ser perceptibles. El biocarbón más fino aumenta el límite elástico y el esfuerzo de corte más que el biocarbón más grueso debido a una mayor superficie y contacto por fricción. Para mezclas prácticas, las estrategias de dosificación y prehumedecimiento son esenciales.
2. Tiempo de fraguado
   El biocarbón fino que llena los espacios entre partículas tiende a acelerar el fraguado temprano al actuar como sitios de nucleación. Sin embargo, el biocarbón precargado con CO₂ puede ralentizar o alterar el fraguado dependiendo de su química.
3. Cinética de hidratación
   El biocarbón proporciona sitios de nucleación heterogéneos para CSH y CH, aumentando la evolución temprana del calor y el grado de hidratación en muchos casos. Este efecto es más pronunciado en edades tempranas y cuando el tamaño de las partículas de biocarbón es fino y está distribuido uniformemente.

Efecto del biocarbón sobre las propiedades del hormigón endurecido.

1. Resistencia a la compresión ya la flexión
   Las investigaciones muestran un patrón constante: dosis bajas de biocarbón (comúnmente alrededor del 0,5 al 5 % en masa de cemento o aglutinante) a menudo producen aumentos pequeños pero mensurables en las resistencias tempranas a la compresión y la flexión, en el rango del 10 al 40 % en edades tempranas, en estudios específicos.
   Más allá de un cierto nivel de reemplazo (comúnmente citado como 5 a 10%), la resistencia generalmente disminuye porque dominan la porosidad adicional y la demanda de agua. El punto óptimo depende de la materia prima, el tamaño de las partículas y el procesamiento, pero muchos estudios informan un rendimiento óptimo con una tasa de reemplazo del 2 al 4%.
2. Módulo elástico y tenacidad
   El biocarbón puede reducir la rigidez en contenidos más altos (módulo elástico más bajo), lo que podría ser una ventaja en zonas sísmicas donde la tenacidad es importante. Pequeñas adiciones también pueden mejorar la energía de fractura y la tortuosidad de las grietas, mejorando la tenacidad y el comportamiento a la flexión.
3. Permeabilidad y Durabilidady
   Al actuar como un depósito de curado interno y promover productos de hidratación más densos, las dosis bajas de biocarbón frecuentemente reducen la absorción y la permeabilidad capilar, mejorando la resistencia al ingreso de iones y algunas reacciones nocivas. Por el contrario, un alto contenido de biocarbón aumenta los mesovuelos y la difusividad del cloruro.
4. Propiedades térmicas
   La estructura de carbono porosa del biocarbón reduce la conductividad térmica y aumenta el calor específico, lo que mejora el aislamiento y la resistencia al fuego en determinadas aplicaciones. Estas características térmicas proporcionan una ventaja adicional para cerramientos de edificios y pavimentos permeables.

Secuestro de carbono

El secuestro de carbono es el proceso de eliminar el dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera y almacenarlo en forma estable, ya sea en plantas, suelo, océanos o en materiales duraderos como el hormigón. El biocarbón en sí es una forma estable de carbono orgánico; cuando se incrusta en hormigón, se convierte en parte del parque de edificios y puede almacenar carbono durante décadas o siglos.

Además, el biocarbón promueve la carbonatación acelerada (curada con CO₂) al aumentar la conectividad de los poros y los sitios de adsorción, lo que resulta en la formación de carbonatos de calcio estables dentro de la matriz. Los estudios informan aumentos significativos en la mineralización de carbonatos y la resistencia a la compresión cuando el biocarbón se combina con curado con CO₂, cenizas volantes o mezclas de humo de sílice. Este doble efecto de almacenar carbono en forma sólida y acelerar la carbonatación mineral es el beneficio clave para el clima.

Directrices prácticas para el diseño de mezclas.

De la investigación existente se pueden extraer varios principios de diseño claros:

1. Empezar poco a poco: Pruebe con una sustitución del 0,5 al 4% por masa de cemento (o aglutinante). La mayoría de los efectos positivos se observan en este rango; Por encima de ~5%, el riesgo de pérdida de fuerza aumenta rápidamente.
2. Controlar el tamaño de las partículas: Apunte a partículas comparables a la finura del cemento (muchos estudios utilizaron tamaños medios en el rango de 5 a 20 μm). La molienda mejora el empaquetamiento, pero una molienda excesiva destruye las redes de poros beneficiosas.
3. Biocarbón anterior: El biocarbón seco versus el presaturado se comportan de manera diferente. La humectación previa reduce la demanda inmediata de agua; El biocarbón saturado con CO₂ puede mejorar la densificación temprana, pero debe evaluarse su comportamiento de unión a largo plazo.
4. Mezcla inteligentemente: combine biocarbón con SCM (humo de sílice, cenizas volantes) para explotar efectos sinérgicos. El biocarbón proporciona nucleación/adsorción, mientras que los SCM aportan actividad puzolánica y resistencia a largo plazo.
5. Selección de materia prima: preferir desechos leñosos con bajo contenido de metales pesados ​​y cenizas para aplicaciones estructurales; Evite el biocarbón de estiércol con alto contenido de cenizas o lodos depuradora a menos que se traten y se demuestre que son seguros.

Ventajas del biocarbón en el hormigón

1. Almacenamiento de carbono
   El biocarbón contiene carbono estable que, cuando se utiliza en un material duradero como el hormigón, puede eliminar de forma efectiva y permanente el CO₂ de la atmósfera.
2. Rendimiento de los materiales
   La estructura porosa y la gran superficie del biocarbón lo hacen actuar como un microrelleno y un depósito interno de agua. Estas propiedades ayudan a acelerar la hidratación, hacer que el concreto sea más denso, mejorar el curado interno y, en pequeñas cantidades, aumentar la resistencia y durabilidad tempranas.

Riesgos del biocarbón

1. Comportamiento en hormigón armado.
   La carbonatación puede ayudar en el almacenamiento de carbono, pero también puede acelerar la corrosión del acero si reduce el pH del hormigón. Por lo tanto, la interacción entre el biocarbón, la carbonatación y el refuerzo de acero necesita un estudio cuidadoso.
2. Consistencia y estándares.
   La variabilidad del biocarbón (materia prima, pirólisis) debe seguir las especificaciones internacionales del Certificado Europeo de Biocarbón (EBC) o la Iniciativa Internacional de Biocarbón (IBI) para garantizar una producción sostenible, un rendimiento predecible y la seguridad.
3. Contabilidad del ciclo de vida.
   Las evaluaciones del ciclo de vida deben considerar factores como la energía utilizada para la pirólisis, los coproductos (incluidos el biopetróleo y el gas de síntesis), el transporte y las mejoras en el rendimiento del hormigón. Los primeros estudios indican beneficios generales, pero los resultados varían según el alcance del análisis.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué es el biocarbón?
   El biocarbón es un material negro rico en carbono que se produce al calentar desechos orgánicos, como astillas de madera, residuos de cultivos o cáscaras de coco, en un ambiente con bajo contenido de oxígeno.
2. ¿Por qué se añade biocarbón al hormigón?
   Cuando se agrega al concreto, el biocarbón ayuda a reducir las emisiones de CO₂, mejora la hidratación e incluso puede hacer que el concreto sea más resistente y duradero en pequeñas dosis.
3. ¿El uso de biocarbón debilita el hormigón?
   El biocarbón no debilita el hormigón, pero depende de cuánto y qué tipo de biocarbón se utiliza. Una pequeña cantidad (alrededor del 1 al 3%) puede mejorar la resistencia del hormigón y reducir la probabilidad de grietas, pero el uso excesivo puede reducir la resistencia y trabajabilidad del material.