El método de reciclaje del cemento podría ayudar a resolver uno de los mayores desafíos climáticos del mundo. Una innovación que podría ser transformadora en la transición hacia el cero neto.
El método, que según los investigadores es «un milagro absoluto», utiliza hornos de arco eléctricos utilizados para el reciclaje de acero para reciclar simultáneamente cemento, el componente del hormigón que consume mucho carbono.
El hormigón es el segundo material más utilizado en el planeta, después del agua, y es responsable de aproximadamente el 7,5% del total de las emisiones antropogénicas de CO₂.
Una forma escalable y rentable de reducir las emisiones de hormigón y al mismo tiempo satisfacer la demanda global es uno de los mayores desafíos de descarbonización del mundo.
Los investigadores de Cambridge descubrieron que el cemento usado es un sustituto eficaz del fundente de cal, que se utiliza en el reciclaje de acero para eliminar impurezas y que normalmente acaba como un producto de desecho conocido como escoria.
Pero al reemplazar la cal con cemento usado, el producto final es cemento reciclado que puede usarse para hacer concreto nuevo.
El método de reciclaje de cemento desarrollado por los investigadores de Cambridge, fue publicado en la revista Nature.
No añade costes significativos a la producción de hormigón o acero y reduce significativamente las emisiones tanto del hormigón como del acero, debido a la menor necesidad de fundente de cal.
Pruebas recientes realizadas por el Materials Processing Institute , socio del proyecto, demostraron que se puede producir cemento reciclado a escala en un horno de arco eléctrico (EAF). Esto es la primera vez que esto se logra.
Las pruebas piloto del horno de arco eléctrico (EAF) para el proyecto UKRI Cement 2 Zero, han estado desarrollando y probando el uso de cemento (al final de su vida útil) como fundente de horno de arco eléctrico para producir acero y al mismo tiempo que capturan la escoria para producir clínker y producir cemento con cero emisiones.
Estas pruebas comenzaron en septiembre de 2022 e involucraron 12 pruebas en hornos de inducción y 8 ocho pruebas en el EAF de 7 toneladas del Instituto.
Las investigaciones han demostrado que el cemento Portland se puede fabricar a partir de cemento reciclado en un EAF durante el proceso de reciclaje del acero.
El proyecto Cement 2 Zero demostrará ahora este proceso a escala industrial.
Con el tiempo, este método podría producir cemento con cero emisiones, si el EAF funcionara con energía renovable.
«Celebramos una serie de talleres con miembros de la industria de la construcción sobre cómo podríamos reducir las emisiones del sector», dijo el profesor Julian Allwood del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien dirigió la investigación. «De esas discusiones surgieron muchas ideas geniales, pero una cosa que no pudieron o no quisieron considerar fue un mundo sin cemento»
El hormigón se elabora a partir de arena, grava, agua y cemento, que sirve como aglutinante.
Aunque es una pequeña proporción del hormigón, el cemento es responsable de casi el 90% de las emisiones de hormigón.
El cemento se fabrica mediante un proceso llamado clinker, en el que la piedra caliza y otras materias primas se trituran y se calientan a unos 1.450 °C en grandes hornos.
Este proceso convierte los materiales en cemento, pero libera grandes cantidades de CO₂ en forma de descarbonatos de piedra caliza en cal.
Durante la última década, los científicos han estado investigando sustitutos del cemento y han descubierto que aproximadamente la mitad del cemento del hormigón se puede reemplazar con materiales alternativos, como las cenizas volantes, pero estas alternativas deben ser activadas químicamente por el cemento restante para poder para endurecer.
«También es una cuestión de volumen: físicamente no tenemos suficientes alternativas de este tipo para satisfacer la demanda mundial de cemento, que es de aproximadamente cuatro mil millones de toneladas por año», dijo Allwood.
«Tenía una vaga idea de trabajos anteriores de que si fuera posible triturar el hormigón viejo, sacar la arena y las piedras, calentar el cemento eliminaría el agua y luego se formaría clínker nuevamente».
“Un baño de metal líquido ayudaría a esta reacción química, y un horno de arco eléctrico, utilizado para reciclar acero, parecía una gran posibilidad.”, dijo el primer autor, el Dr. Cyrille Dunant, también del Departamento de Ingeniería.
El proceso de clinker requiere calor y la combinación adecuada de óxidos, todos los cuales se encuentran en el cemento usado, pero deben reactivarse.
Los investigadores probaron una variedad de escorias, elaboradas a partir de desechos de demolición y a las que se les añadió cal, alúmina y sílice.
Las escorias se procesaron en el EAF del Instituto de Procesamiento de Materiales, con acero fundido y se enfriaron rápidamente.
«Descubrimos que la combinación de clinker de cemento y óxido de hierro es una escoria de fabricación de acero excelente porque forma espuma y fluye bien», dijo Dunant.
«Y si se consigue el equilibrio adecuado y se enfría la escoria lo suficientemente rápido, se obtiene cemento reactivado, sin añadir ningún coste al proceso de fabricación de acero.
El cemento elaborado, mediante este proceso de reciclaje, contiene niveles más altos de óxido de hierro que el cemento convencional, pero los investigadores dicen que esto tiene poco efecto en el rendimiento.
El proceso de “Cambridge Electric Cement” ha ido escalando rápidamente y los investigadores dicen que podrían producir mil millones de toneladas por año para 2050, lo que representa aproximadamente una cuarta parte de la producción anual actual de cemento.
«Producir cemento con cero emisiones es un milagro absoluto, pero también tenemos que reducir la cantidad de cemento y hormigón que utilizamos», dijo Allwood.
“El hormigón es barato, resistente y se puede fabricar en casi cualquier lugar, pero utilizamos demasiado. Podríamos reducir drásticamente la cantidad de hormigón que utilizamos sin reducir la seguridad, pero es necesario que haya voluntad política para que eso suceda.
«Además de ser un gran avance para la industria de la construcción, esperamos que Cambridge Electric Cement también sea una bandera para ayudar al gobierno a reconocer que las oportunidades de innovación en nuestro camino hacia cero emisiones se extienden mucho más allá del sector energético».
Los investigadores han presentado una patente sobre el proceso para respaldar su comercialización.
La investigación fue apoyada en parte por Innovate UK y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI). Julian Allwood es miembro del St Catharine’s College de Cambridge.
El proyecto Cement 2 Zero es una colaboración entre el Materials Processing Institute, la Universidad de Cambridge, CELSA Manufacturing (UK) Limited, AtkinsRéalis, Balfour Beatty Civil Engineering Limited, Tarmac y Day Group Limited.
