Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra, una mezcla de arena, agua y un polvo aglutinante llamado cemento. Cuando el agua entra en contacto con el cemento, comienza una reacción química que convierte la mezcla blanda en un sólido duro, similar a la piedra. Este proceso, conocido como hidratación, libera calor. En estructuras masivas como presas o cimientos de rascacielos, este calor puede acumularse hasta alcanzar niveles peligrosos, lo que provoca que el hormigón se agriete al enfriarse. Para gestionar esto, los ingenieros suelen buscar formas de ralentizar la reacción o reducir el calor total generado. Al mismo tiempo, la industria de la construcción produce enormes cantidades de residuos, incluyendo ladrillos triturados, azulejos viejos y fragmentos de hormigón demolido. Mientras que los trozos grandes de estos escombros suelen reciclarse para convertirlos en grava nueva, el polvo fino resultante de la trituración es frecuentemente desechado. Investigadores están investigando si este polvo de residuo fino puede reemplazar parte del cemento en el nuevo hormigón, convirtiendo un problema de eliminación en un recurso útil que también enfría la reacción química.

Un equipo de científicos en Argelia se propuso probar esta idea utilizando tres tipos específicos de residuos de construcción: polvo hecho de azulejos cerámicos reciclados, polvo de ladrillos reciclados y polvo de hormigón reciclado. Crearon una serie de mezclas de mortero, que son similares al hormigón pero utilizan únicamente arena fina. En sus experimentos, reemplazaron el 10%, 20% y 30% del cemento estándar en cada mezcla con uno de estos polvos de residuo. Luego colocaron estas mezclas en un contenedor aislado especial diseñado para medir los cambios de temperatura a medida que los materiales endurecían. Al rastrear cuánto calor se liberaba y qué tan rápido salía, los investigadores pudieron mapear todo el ciclo de vida de la reacción química desde el momento en que se añadió el agua.

Los resultados mostraron que la adición de estos polvos de residuo cambió significamente el comportamiento del cemento. En cada caso donde se reemplazó el cemento, la cantidad total de calor liberado disminuyó. Cuanto más polvo añadían, menos calor se producía. Cuando reemplazaron el 30% del cemento con polvo de hormigón reciclado, el calor total liberado fue solo alrededor del 70% de lo que produciría una mezcla estándar. Esta reducción es particularmente valiosa para la construcción en climas cálidos, donde el calor excesivo puede dañar la estructura antes de que se fragüe completamente. Más allá de solo reducir el calor total, los polvos de residuo también ralentizaron la velocidad de la reacción. El momento en que el flujo de calor alcanzó su punto máximo —el punto de actividad química más intensa— se retrasó de dos a tres horas en comparación con el cemento ordinario. Este retraso le da a los trabajadores más tiempo para verter y dar forma al hormigón antes de que comience a endurecerse.

Los investigadores también observaron de cerca las diferentes etapas de la reacción química para entender por qué ocurrieron estos cambios. Descubrieron que el tipo de polvo de residuo importaba. El polvo de cerámica reciclada, que es muy fino, acortó la fase inicial de nucleación y crecimiento de la reacción, mientras que los polvos de ladrillo y de hormigón prolongaron esta fase. Sin embargo, independientemente del tipo de polvo, el pico de flujo de calor se retrasó de 2 a 3 horas para todas las mezclas. El estudio reveló que la reacción involucra una secuencia de eventos: primero, nuevos cristales se forman y crecen; luego, estos cristales interactúan con los granos de cemento restantes; y finalmente, la reacción se ralentiza a medida que los iones deben viajar a través del material que se solidifica para encontrar nuevos lugares donde reaccionar. Los polvos de residuo alteraron la cronología de estos pasos. Por ejemplo, los polvos de ladrillo y de hormigón extendieron la fase inicial de crecimiento de cristales, mientras que el polvo de cerámica hizo que la fase final de difusión lenta fuera mucho más dominante.

En última instancia, el estudio confirma que estas fracciones finas de residuos de construcción no son solo rellenos inertes, sino ingredientes activos que cambian cómo se comporta el cemento. Los polvos de residuo poseen propiedades que les permiten participar en el proceso de endurecimiento, creando un material que es químicamente activo pero que produce menos calor. Los hallazgos sugieren que utilizar hasta un 30% de estos polvos reciclados es una estrategia viable para crear materiales de construcción más sostenibles. Al reducir el calor generado durante la construcción, estas mezclas podrían ayudar a prevenir grietas en grandes estructuras, mientras que simultáneamente desvían toneladas de residuos de los vertederos. La investigación proporciona una imagen clara de cómo funcionan estos materiales, ofreciendo un camino práctico hacia la creación de una industria de la construcción más eficiente y menos perjudicial para el medio ambiente.