Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

Los suelos de concreto en fábricas, almacenes y espacios públicos concurridos enfrentan una batalla constante contra el desgaste. Cada paso, cada carrito rodante y cada neumático de vehículo desgasta la superficie, eliminando lentamente el material y debilitando la estructura con el tiempo. Para construir suelos que duren, los ingenieros confían en el cemento, el agente aglutinante que mantiene unido el concreto. Sin embargo, producir este cemento conlleva un alto precio: por cada tonelada de cemento fabricado, se liberan casi 0,85 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera, contribuyendo significativamente al cambio climático. Esta realidad ha impulsado a los investigadores a buscar formas de reemplazar parte del cemento con desechos industriales, convirtiendo un problema de contaminación en una solución de construcción. Uno de estos productos de desecho proviene de las refinerías de petróleo, donde se utilizan partículas diminutas llamadas catalizadores para ayudar a convertir el petróleo crudo en combustible. Una vez que estas partículas han cumplido su función, se descartan como "catalizador gastado". Estas partículas son ricas en aluminio y sílice, los mismos ingredientes que se encuentran en las rocas y arenas que componen el concreto, lo que sugiere que podrían ser útiles en una nueva vida.

Un equipo de investigadores se propuso probar si estas partículas de desecho de refinerías de petróleo podrían mezclarse con el concreto para crear suelos más fuertes y duraderos que también ayuden al medio ambiente. Se centraron en dos tipos diferentes de mezclas de concreto. La primera era una mezcla de cemento estándar, donde las partículas de desecho actuarían como un relleno para reemplazar parte del cemento. La segunda era una mezcla "activada por álcali", un tipo de concreto más avanzado que utiliza una solución química para unir las partículas de desecho sin necesidad de cemento tradicional. Los investigadores querían ver cómo el tamaño de las partículas de desecho y el tipo de mezcla afectaban la capacidad del concreto para resistir la compresión, la flexión y el constante desgaste por abrasión. También pretendían crear un conjunto de reglas que los ingenieros pudieran utilizar para predecir qué tan fuerte sería un suelo antes de verter el concreto, basándose simplemente en cuánto desecho se añadiera y qué tan finas fueran las partículas.

El equipo comenzó reuniendo sus materiales: cemento Portland estándar, arena de río, agua y las partículas de catalizador gastado de una refinería en Polonia. Clasificaron cuidadosamente las partículas de catalizador en dos tamaños, uno más fino y otro más grueso, para ver si el tamaño importaba. Luego crearon una serie de lotes de prueba. Algunos lotes reemplazaban hasta el 20 por ciento del cemento con las partículas de desecho, mientras que otros utilizaban las partículas como ingrediente principal en la mezcla activada por álcali. Para asegurar que las mezclas fueran trabajables, añadieron un plastificante líquido para ayudar a que el concreto húmedo fluyera fácilmente en los moldes. Una vez que el concreto se endureció, los investigadores sometieron las muestras a una serie rigurosa de pruebas. Aplastaron cubos del material para medir la resistencia a la compresión, doblaron vigas largas para probar la resistencia a la flexión y utilizaron una máquina especializada que frotaba una rueda pesada y abrasiva contra la superficie para medir cuánto peso perdía el material con el tiempo. Esta prueba de abrasión es crucial porque simula años de tráfico peatonal y desgaste de vehículos en cuestión de horas.

Los resultados revelaron una clara división en el rendimiento dependiendo de qué tipo de concreto se utilizara. En las mezcciones de cemento estándar, añadir las partículas de desecho funcionó notablemente bien. Cuando los investigadores reemplazaron el 20 por ciento del cemento con el catalizador gastado, el concreto resultante se volvió más fuerte y resistente al desgaste. La mezcla con las partículas más finas alcanzó una resistencia a la compresión de 52 megapascales y una resistencia a la flexión de 8 megapascales, mostrando también una mejora del 18 por ciento en la resistencia a la abrasión en comparación con el cemento puro. Las partículas de desecho actuaron como una esponja, absorbiendo agua y reaccionando con el cemento para llenar los pequeños huecos, creando un material más denso y resistente. Sin embargo, la historia fue diferente para las mezclas activadas por álcali. En estas mezclas, las partículas de desecho no reaccionaron completamente con el aglutinante químico. El material resultante fue significativamente más débil y sufrió un desgaste mucho mayor, perdiendo peso a una tasa nueve veces mayor que las mezclas de cemento después de 28 días. Los investigadores descubrieron que el proceso de activación química era incompleto, dejando muchas de las partículas de desecho sin reaccionar y sujetas de forma laxa dentro de la estructura, lo que hacía que la superficie se desmoronara fácilmente bajo la fricción.

Para dar sentido a estos complejos resultados, los investigadores desarrollaron un conjunto de modelos matemáticos que podrían predecir el rendimiento del concreto sin necesidad de realizar cada una de las pruebas. Estos modelos no eran simples conjeturas; fueron construidos sobre principios físicos que vinculaban la cantidad de desecho añadido, el tamaño de las partículas, el tipo de aglutinante utilizado y la edad del concreto con su resistencia y durabilidad finales. Los modelos demostraron ser altamente precisos, prediciendo la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión y la pérdida por abrasión con un margen de error inferior al 7 por ciento. Esto significa que, si un ingeniero conoce la mezcla específica que planea utilizar, puede usar estas fórmulas para predecir con confianza cómo se comportará el suelo bajo un tráfico pesado. Los modelos confirmaron que, para el cemento estándar, añadir el desecho era una situación de beneficio mutuo, aumentando la fuerza y la durabilidad. Para las mezclas activadas por álcali, los modelos destacaron que las recetas químicas actuales aún no están listas para utilizar este desecho de manera efectiva, ya que las partículas permanecían demasiado inertes para proporcionar la potencia de unión necesaria.

El estudio concluye que el uso de desechos de refinerías de petróleo en el concreto es un camino viable, pero requiere el enfoque adecuado. Reemplazar una parte del cemento con estas partículas crea un material de alto rendimiento que es más resistente al desgaste y reduce la huella de carbono de la construcción. Los investigadores estiman que cambiar el 20 por ciento del cemento podría reducir las emisiones de carbono en aproximadamente 170 kilogramos por cada tonelada de aglutinante utilizado. Sin embargo, este beneficio solo se logra cuando el desecho se utiliza en mezclas de cemento tradicionales, donde actúa como un relleno reactivo. En los sistemas activados por álcali, más experimentales, la tecnología aún no es lo suficientemente madura para manejar este desecho específico de manera eficaz. El trabajo proporciona una hoja de ruta clara para la industria de la construcción: al seleccionar cuidadosamente el tipo de concreto y el tamaño de las partículas de desecho, los constructores pueden crear suelos que no solo sean más sostenibles, sino también más duraderos, convirtiendo un subproducto industrial en un cimiento para el futuro.