Los ingenieros del MIT que trabajan con científicos en Kuwait han descubierto que las rocas volcánicas, cuando se pulverizan en una ceniza fina, pueden usarse como un aditivo sostenible en estructuras de concreto.
En un artículo publicado en línea en el Diario de producción más limpia , los investigadores informan que, al reemplazar un cierto porcentaje de cemento tradicional con cenizas volcánicas, pueden reducir la "energía incorporada" de una estructura de concreto, o la energía total que se necesita para fabricar concreto. Según sus cálculos, se necesita un 16 por cientomenos energía para construir un vecindario piloto con 26 edificios de concreto hechos con 50 por ciento de cenizas volcánicas, en comparación con la energía que se necesita para hacer las mismas estructuras completamente de cemento Portland tradicional.
Cuando trituraron cenizas volcánicas a tamaños de partículas cada vez más pequeños, los investigadores descubrieron que una mezcla del polvo más fino y el cemento Portland producía estructuras de concreto más fuertes, en comparación con aquellas hechas solo de cemento. Sin embargo, el proceso de triturar cenizas volcánicas hastatales partículas finas requieren energía, lo que a su vez aumenta la energía incorporada de la estructura resultante. Existe, entonces, una compensación entre la resistencia de una estructura de concreto y su energía incorporada, cuando se usa ceniza volcánica.
Basado en experimentos con varias mezclas de hormigón y cenizas volcánicas, y cálculos de la energía incorporada de la estructura resultante, los investigadores han trazado la relación entre la fuerza y la energía incorporada. Dicen que los ingenieros pueden usar esta relación como un tipo de plan para ayudarloselija, por ejemplo, el porcentaje de cemento que desearían reemplazar con cenizas volcánicas para producir una estructura determinada.
"Puede personalizar esto", dice Oral Buyukozturk, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental CEE del MIT. "Si se trata de un bloqueo de tráfico, por ejemplo, donde puede que no necesite tanta fuerza como, por ejemplo,, para un edificio de gran altura. Para que puedas producir esas cosas con mucha menos energía. Eso es enorme si piensas en la cantidad de concreto que se usa en todo el mundo ".
Buyukozturk se une en un documento por un equipo interdisciplinario de investigadores, incluido el científico investigador Kunal Kupwade-Patil y la estudiante de pregrado Stephanie Chin de CEE, la ex estudiante de doctorado Catherine De Wolf y el profesor John Ochsendorf del Departamento de Arquitectura del MIT, Ali Hajiah de KuwaitInstituto de Investigación Científica, y Adil Al-Mumin de la Universidad de Kuwait.
un aditivo natural
El hormigón es el material más utilizado en el mundo, solo superado por el agua. La fabricación de hormigón implica primero la voladura de rocas como la piedra caliza de las canteras, luego el transporte de las rocas a los molinos, donde se trituran y se tratan a alta temperatura.a través de varios procesos que resultan en la producción de cemento.
Tales procesos intensivos en energía crean una huella ambiental significativa; la producción de cemento Portland tradicional representa aproximadamente el 5 por ciento de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. Para reducir estas emisiones, Buyukozturk y otros han estado buscando aditivos sostenibles y alternativas acemento.
La ceniza volcánica tiene varias ventajas sostenibles como aditivo en la fabricación de hormigón: el material rocoso, que se encuentra en un amplio suministro alrededor de volcanes activos e inactivos en todo el mundo, está naturalmente disponible; generalmente se considera un material de desecho, ya que las personas generalmente no lo hacenúselo para cualquier propósito generalizado; algunas cenizas volcánicas tienen propiedades intrínsecas "pozzolónicas", lo que significa que, en forma de polvo, la ceniza con una cantidad reducida de cemento puede unirse naturalmente con agua y otros materiales para formar pastas similares a cemento.
"La producción de cemento requiere mucha energía porque hay altas temperaturas involucradas y es un proceso de varias etapas", dice Chin, quien con Kupwade-Patil dirigió gran parte del trabajo experimental del grupo como estudiante en el Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado UROP con Buyukozturk: "Esa es la principal motivación para tratar de encontrar una alternativa. La ceniza volcánica se forma bajo altas temperaturas y altas presiones, y la naturaleza hace todas esas reacciones químicas por nosotros".
El equipo analizó primero cuánta energía se necesitaría para hacer concreto a partir de una mezcla de cemento y cenizas volcánicas, versus cemento solo. Para hacer esto, los investigadores consultaron varias bases de datos en las que otros habían calculado la energía incorporada asociada con varios industrialesprocesos, como la energía que se utiliza para triturar rocas o curar cemento. Los investigadores seleccionaron las bases de datos para ensamblar los procesos individuales asociados con la producción de cemento tradicional y cemento que contiene entre un 10 y un 50 por ciento de cenizas volcánicas.
Luego ingresaron al laboratorio, donde fabricaron pequeñas muestras de concreto con varios porcentajes de cenizas volcánicas, así como también muestras hechas de cemento Portland. Chin y sus colegas sometieron cada muestra a pruebas estándar de resistencia, como comprimir elestructuras hasta que comenzaron a agrietarse. Luego cartografiaron la fuerza de cada muestra contra su energía incorporada calculada.
Según sus resultados, reemplazar el 50 por ciento del cemento tradicional con cenizas volcánicas con un tamaño de partícula promedio de 17 micrómetros puede reducir la energía incorporada del concreto en un 16 por ciento. Sin embargo, en este tamaño de partículas, la ceniza volcánica puede comprometer la resistencia general del concreto.la ceniza hasta un tamaño de partícula de aproximadamente 6 micrómetros aumenta significativamente la resistencia del concreto, ya que las partículas más pequeñas proporcionan más área de superficie con la cual el agua y el cemento pueden unirse químicamente.
Ciudades de ceniza
El equipo extrapoló sus resultados para ver cómo las estructuras hechas en parte con cenizas volcánicas afectarían la energía incorporada del concreto a escala de edificios y vecindarios enteros.
Los investigadores se centraron en un vecindario en Kuwait con 13 edificios residenciales y 13 comerciales, todos hechos con cemento Portland tradicional, importados en su mayoría de Europa. Con la ayuda de sus colaboradores en Kuwait, volaron un avión no tripulado sobre el vecindario para recolectar imágenes yTambién consultaron a las autoridades locales, quienes les proporcionaron información adicional sobre cada sistema de construcción.
Usando toda esta información, el equipo calculó la energía incorporada existente en el vecindario y luego calculó cómo esa energía incorporada cambiaría si los edificios se construyeran con concreto compuesto de varios porcentajes de cenizas volcánicas, que es muy abundante en el Medio Oriente.
Al igual que con sus experimentos en el laboratorio, descubrieron que la infraestructura de un vecindario se puede hacer con mucha menos energía si los mismos edificios se construyen con concreto hecho de una mezcla de cemento que es 30 por ciento de cenizas volcánicas.
"Lo que descubrimos es que el concreto se puede fabricar con aditivos naturales con las propiedades deseadas y una energía incorporada reducida, lo que se puede traducir en importantes ahorros de energía cuando se crea un vecindario o una ciudad", dice Buyukozturk.
Estudiantes universitarios comparten autoría
En un segundo artículo, que pronto aparecerá en el ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, los coautores Chin y Maranda L. Johnston, también un ex alumno de UROP, exploran el mecanismo de unión involucrado cuando el cemento Portland se reemplaza por molido finocenizas volcánicas. El equipo utilizó varias técnicas, incluida la difracción de rayos X sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Argonne para examinar la microestructura de las pastas de cemento endurecido.
Encontraron que las partículas de ceniza volcánica de tamaño más fino producían productos a escala nanométrica dentro de la pasta de cemento a medida que se endurecía, lo que ayudó a densificar la matriz a medida que curaba. "Nuestro trabajo proporciona una base para que los ingenieros optimicen sus mezclas con aditivos naturalesde acuerdo con sus requisitos específicos ", dice Kupwade-Patil.
"Se ha convertido de alguna manera en una tradición en mi laboratorio involucrar a estudiantes de primer año y otros estudiantes de UROP en investigaciones multidisciplinarias de alto nivel que conducen a publicaciones en revistas", dice Buyukozturk. "Esta experiencia de aprendizaje es una parte importante de nuestro sistema educativo".
Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación de Kuwait para el Avance de las Ciencias. El proyecto se realizó como parte del proyecto de firma Kuwait-MIT sobre la sostenibilidad del entorno construido de Kuwait para el que Buyukozturk fue el investigador principal.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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