14.4.1 Materiales derivados de los carbohidratos en el cemento y el hormigón
El biochar es un material carbonoso derivado de la biomasa de desecho, del que varias propiedades clave, incluyendo la baja densidad aparente, la baja conductividad térmica y la naturaleza porosa, han hecho que presente características de rendimiento distinguidas del hormigón. Por ejemplo, la baja densidad da lugar a la producción de un hormigón más ligero, por lo que el biocarbón actúa como una alternativa eficaz a la mayor fracción de volumen que ocupan los materiales más densos, como el polvo de cemento y el árido (Cuthbertson et al., 2019). Además, la baja conductividad térmica y la estructura porosa del biocarbón influyen en el aumento del aislamiento térmico del material al romper el puente térmico. Además de sus propiedades aislantes, los huecos y las redes de poros interconectados derivados del biocarbón también aumentan la absorción acústica del hormigón. Estudios recientes sugieren además que la adición de biocarbón en los compuestos a base de cemento podría aumentar la resistencia a la compresión al promover la hidratación del cemento debido a su alta capacidad de retención de agua (Wang et al., 2019). El biocarbón puede liberar gradualmente el agua durante la hidratación del cemento. Esto conduce a un hormigón con mejores propiedades mecánicas (Cuthbertson et al., 2019). Además, el biocarbón suele tener un tamaño de partícula fino, por lo que el biocarbón podría utilizarse como relleno para llenar los microporos en los materiales de construcción (Wang et al., 2019). En comparación con los materiales compuestos incorporados a la madera, los materiales compuestos modificados con biocarbón mostraron una resistencia al fuego relativamente alta debido a sus propiedades fisicoquímicas estables. Por lo tanto, el biocarbón se utiliza como un recurso renovable para reemplazar el contenido de cemento mientras se hace el mortero que se está utilizando en la industria de la construcción.
Se ha demostrado que el biocarbón mejora efectivamente las propiedades del hormigón en ambos lados de la escala cuando se reemplaza el cemento en fracciones menores, como la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción por división (Akhtar y Sarmah, 2018). Se encontró que la adición del 0,1% (v/v) de biocarbón como aglutinante de sustitución presentó el mejor rendimiento en la resistencia mecánica en el hormigón. Las materias primas del biocarbón, como las camas de aves de corral y los lodos de las fábricas de pulpa y papel, desempeñan un papel activo en la mejora de la absorción de agua en el hormigón. El biocarbón se considera un material ideal para reducir el CO2 en la producción de hormigón, así como para disminuir el secuestro de carbono (Akhtar y Sarmah, 2018). La investigación mostró que un aumento del 78% en la resistencia a la tracción para la muestra de hormigón con un 5% de adición de biocarbón tratado con bagazo en comparación con el hormigón sin ningún biocarbón (Zeidabadi et al., 2018). La adición de biocarbón conduce a una reducción lineal de la densidad del hormigón de alrededor de 2200 a 1454 kg/m3 al comparar la no adición de carbono y el 15 % en peso de biocarbón. Además, la adición de biocarbón también aumentó los coeficientes de absorción acústica del hormigón, ya que generó una estructura de poros bien desarrollada dentro del hormigón. Además, la conductividad térmica del hormigón también disminuyó y alcanzó su mínimo con la adición del 2 % en peso de biocarbón. Sin embargo, la desfavorable reducción de la resistencia del hormigón causada por la adición de biocarbón hace que este material compuesto sea un hormigón de baja resistencia (Cuthbertson et al., 2019). El tiempo de fraguado inicial se redujo y la resistencia a la compresión temprana del mortero aumentó tanto con el biocarbón fresco como con el saturado. Se encontró que la adición de biocarbón incorporó significativamente la ductilidad al mortero bajo flexión, aunque tuvo poco efecto en la resistencia a la flexión. La adición de biocarbón también condujo a la impermeabilidad del mortero debido a la reducción de la penetración del agua y la sorptividad. Sin embargo, el biocarbón fresco contribuyó a una mayor resistencia mecánica y mejoró la permeabilidad en comparación con el biocarbón saturado con dióxido de carbono (Gupta et al., 2018a). En este sentido, el biocarbón demuestra ser un material prometedor utilizado como aditivo en la construcción de hormigón, contribuyendo tanto al secuestro de carbono como al reciclaje de residuos. La prueba de compresión reveló que con una mayor sustitución de biocarbón en el mortero, la resistencia a la compresión se redujo con el aumento de la sustitución de biocarbón y se formaron menos hidratos de silicato de calcio en los compuestos de cemento de biocarbón. La prueba de absorción de agua mostró que con el aumento de la sustitución de biocarbón, se retiene más agua en los compuestos de mortero-biocarbón. A partir de los resultados, se puede concluir que el biocarbón puede ser una alternativa viable de cemento, hasta un cierto porcentaje, mientras que la fabricación de mortero para aplicaciones específicas (Roy et al., 2017).
El aumento de las investigaciones están surgiendo en la exploración de la condición óptima de la adición de biocarbón al hormigón. Se tienen en cuenta parámetros como el tamaño, la dosificación y la pirólisis. Como mortero de cemento, las partículas macroporosas de biocarbón más gruesas (tamaño 2-100 μm) son más eficaces para mejorar la fluidez y la viscosidad de la pasta de cemento, en comparación con la de las partículas más finas (tamaño 0,10-2 μm) (Gupta y Kua, 2019). Aun así, se ha demostrado que este último tiene más efecto en la mejora de la resistencia temprana y la estanqueidad al agua en condiciones de curado en seco en comparación con el primer biocarbón (Gupta y Kua, 2019). La adición de 1-2 % en peso de biocarbón pirolizado a 300°C-500°C mejora la resistencia a la compresión temprana (7 días) del mortero debido a la alta retención de agua. La adición de biocarbón no influyó significativamente en la resistencia a la flexión, la contracción por secado y el módulo de elasticidad. En base a los resultados experimentales, se concluye que la adición de 1-2 % en peso de biocarbón puede ser recomendada para mejorar la resistencia y reducir la permeabilidad del mortero de cemento (Gupta et al., 2018b). Varios parámetros de pirólisis y la naturaleza de las materias primas del biocarbón tienen un efecto sobre las propiedades mecánicas de los compuestos de cemento. Los resultados de los ensayos mecánicos mostraron una prometedora mejora de la resistencia, la tenacidad y la ductilidad. De hecho, se registraron valores más altos de resistencia a la flexión y de energía de fractura en las probetas con adición de biocarbón en comparación con las probetas sin él. Sin embargo, los valores de resistencia a la flexión y energía de fractura podrían verse afectados por los diferentes parámetros de pirólisis utilizados en la producción de biocarbón (temperatura, velocidad de calentamiento y presión). Por lo tanto, los resultados podrían estar influidos por el tipo de material carbonoso y por los parámetros de producción más que por el tamaño de las partículas de carbono. Desde un punto de vista económico, estas partículas de carbono tienen un coste cero, ya que son los residuos del proceso de pirólisis de la biomasa. Por esta razón, representan buenos materiales para nuevos materiales de construcción verde (Cosentino et al., 2018).
Además, la adición de partículas de biocarbón al hormigón vegetal es una forma de mejorar aún más la compatibilidad con las plantas del hormigón vegetal. Colocado como base de refuerzo y cubierto por la capa de suelo con vegetación, el hormigón de vegetación consiste en cemento, agua y agregado grueso. Reducir la alcalinidad del hormigón vegetal utilizando cemento de baja basicidad o añadiendo aditivos es importante para mejorar la compatibilidad con las plantas y la resistencia a la compresión del hormigón vegetal. La investigación muestra que al aumentar el contenido de biocarbón, el coeficiente de porosidad y permeabilidad del hormigón de vegetación seguía disminuyendo, mientras que el efecto del biocarbón en la promoción del crecimiento de las plantas mostraba al principio un aumento hasta el máximo y luego una disminución gradual. Por lo tanto, la adición de una cantidad adecuada de biocarbón puede mejorar las características del hormigón vegetal. Además, se recomendó la proporción de mezcla óptima del hormigón vegetal modificado con biocarbón (Zhao et al., 2019).
El cemento es uno de los materiales más significativos para el desarrollo urbano, cuya producción representa la mayor parte de las emisiones globales de CO2. En este sentido, la utilización de materiales verdes y sostenibles en la producción de cemento puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera y aliviar el calentamiento global. Entre estos materiales, la biomasa derivada de los residuos agrícolas ha demostrado ser una alternativa eficaz al cemento Portland en la producción de hormigón, lo que ha permitido reducir el impacto medioambiental de la producción de cemento. Estos materiales sintetizados pueden utilizarse como materiales puzolánicos (Zeidabadi et al., 2018). El uso del biocarbón como aditivo de secuestro de carbono en el mortero de cemento o como relleno del hormigón estándar en lugar de la arena o el agregado grueso presentó mejoras potenciales de sus características de rendimiento, así como una oportunidad de secuestro de carbono.