Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
Este estudio demuestra que la incorporación de un 5–10% de carbón de cáscara de coco, producido mediante pirólisis, como un reemplazo parcial del cemento, optimiza el equilibrio entre las propiedades en estado fresco y el desempeño mecánico en mortero sostenible, siendo la dosificación del 5% la que produce resistencias a la compresión y a la flexión superiores en comparación con el control.
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El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra, formando el esqueleto de nuestras ciudades, puentes y hogares. Sin embargo, el ingrediente principal del hormigón, el cemento Portland, conlleva un elevado coste ambiental. El proceso de fabricación de este libera vastas cantidades de dióxido de carbono y consume recursos minerales significativos, lo que impulsa a los ingenieros a buscar formas de reducir su uso sin comprometer la resistencia de la estructura final. Una vía prometedora consiste en reemplazar una parte del cemento con materiales de desecho que han sido transformados en un polvo fino y rico en carbono. Este enfoque pretende convertir los restos agrícolas en componentes de construcción útiles, reduciendo potencialmente la huella de carbono de la construcción al tiempo que se gestionan los residuos. El desafío radica en encontrar la cantidad adecuada para añadir; añadir demasiado poco podría no marcar la diferencia, mientras que añadir demasiado podría debilitar el material o imposibilitar su vertido y moldeado antes de que endurezca.
En un estudio reciente, los investigadores investigaron si las cáscaras de coco, un producto de desecho común en las regiones tropicales, podrían servir como tal reemplazo. Tomaron cáscaras de coco desechadas y las calentaron en un entorno con bajo contenido de oxígeno a una temperatura elevada de 750 grados Celsius durante dos horas. Este proceso, conocido como pirólisis, convirtió las cáscaras duras en un polvo negro y ligero llamado carbón de cáscara de coco. El material resultante fue una sustancia fina y porosa con un alto contenido de carbono, distinta del cemento pesado y de base mineral que debía reemplazar. El equipo mezcló este carbón en mortero estándar —una mezcla de cemento, arena y agua— en varios niveles, que iban desde una pequeña cantidad hasta casi un tercio del material sólido en la mezcla. Su objetivo era ver cómo esta adición afectaba el comportamiento de la mezcla cuando estaba húmeda, cuánto tiempo tardaba en fraguar y qué tan fuerte se volvía tras un mes de curado.
Los resultados mostraron que la adición de carbón de cáscara de coco cambió el mortero de formas previsibles. Debido a que el carbón es más ligero y está lleno de diminutos agujeros, la mezcla fresca se volvió menos densa a medida que se añadía más. Sin embargo, esta porosidad también hizo que la mezcla fuera más difícil de trabajar. La superficie rugosa y esponjosa de las partículas de carbón absorbió parte del agua de mezcla y creó más fricción entre las partículas, causando que el flujo del mortero disminuyera significativamente a medida que aumentaba la cantidad de carbón. La mezcla también tardó más en endurecerse; el tiempo que el mortero tardó en comenzar a fraguar y en endurecerse por completo aumentó a medida que se incluía más carbón, probablemente debido a que había menos cemento disponible para activar las reacciones químicas que unen el material.
A pesar de estos cambios en el estado fresco, la resistencia mecánica del mortero endurecido siguió un patrón sorprendente. Cuando los investigadores probaron la resistencia de las muestras después de 28 días, descubrieron que añadir una pequeña cantidad de carbón de hecho hacía que el mortero fuera más fuerte. La mezcla que contenía un 5 por ciento de carbón de cáscara de coco por volumen alcanzó una resistencia a la compresión de 38,1 megapascales, la cual fue notablemente superior a los 31,6 megapascales registrados para la mezcla de control sin carbón. Esta misma mezcla del 5 por ciento también mostró una flexibilidad mejorada, resistiendo las fuerzas de flexión mejor que el mortero estándar. Sin embargo, este beneficio no continuó indefinidamente. A medida que los investigadores aumentaban la cantidad de carbón por encima del 10 por ciento, la resistencia comenzaba a caer. En niveles más altos, la reducción de contenido de cemento y la introducción de demasiadas partículas porosas y no reactivas superaron los beneficios, provocando una estructura más débil.
El estudio concluye que existe una ventana específica donde el carbón de cáscara de coco es más efectivo. Un nivel de reemplazo entre el 5 y el 10 por ciento ofreció el mejor equilibrio, permitiendo una reducción del uso de cemento manteniendo o incluso mejorando el rendimiento estructural del mortero. Este rango redujo la cantidad de cemento necesaria en aproximadamente un 3,6 a 7,2 por ciento en masa sin sacrificar la capacidad del material para soportar peso o resistir grietas. Aunque el carbón no actuó como un reactivo químico para fortalecer el cemento de la misma manera que otros aditivos, sus propiedades físicas ayudaron a llenar huecos y mejorar el empaquetamiento de la mezcla en dosis bajas. Los investigadores enfatizan que, si bien este enfoque muestra ser prometedor para convertir los desechos en un recurso útil, no es una solución completa por sí sola. Los beneficios ambientales dependen de la energía utilizada para crear el carbón y de la durabilidad a largo plazo del material, áreas que requieren más estudio. Por ahora, el trabajo demuestra que una cantidad modesta de cáscara de coco procesada puede ser un ingrediente viable en el mortero sostenible, ofreciendo un paso práctico hacia la reducción de la dependencia del cemento tradicional.
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