Existen estrategias especificas para poder utilizar el concreto con una perspectiva sustentable.
1.1 Reducción de Huella de Carbono
La huella de carbono incluye tanto las emisiones de CO2 asociadas directamente con la fabricación de un artículo o producto, la cual incluye la extracción de recursos, la quema de combustibles fósiles para generar la energía, la fabricación, el transporte de materiales y el producto final, e indirectamente de su uso continuo, operación y mantenimiento. En los edificios, las emisiones de CO2 generadas durante la fase operativa son mucho mayores que los generados durante la construcción.
En el caso del concreto, como material de construcción más usado en el mundo, se ha convertido en una parte integral de nuestras sociedades. En las edificaciones, las emisiones del ciclo de vida pueden ser divididos en, los generados durante la construcción (directa) y la energía utilizada por operación edificio (indirecta).
En general, el ingeniero civil debe conocer la composición de cada uno de los materiales de construcción, ya que en cada componente existe una oportunidad de reducción de impacto que lleve al material en general a ser un material más apropiado para la aplicación requerida.
La contribución de la producción de cemento es del 4% de las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con todos los demás sectores industriales. Por ejemplo, esto puede ser comparado con el 5% de las emisiones de gases de efecto invernadero de la minería, el 5% a partir de hierro y acero, el 5% de la producción forestal, y el 5% de las industrias de alimentos y bebidas. El cemento se fabrica con materias primas como la caliza y la arcilla a altas temperaturas para formar silicatos de calcio que proporcionan las propiedades de unión de cemento. Durante este calentamiento de las materias primas se requiere un horno para formar el clinker, donde el CO2 se libera de la piedra caliza. En el pasado, se estimó que se producía una tonelada de CO2 por cada tonelada de cemento producido. Aproximadamente media tonelada (450 kg) debido a la transformación de la piedra caliza en el horno, un tercio a media tonelada (300 a 450 kg) de la energía utilizada para calentar el horno, y una pequeña cantidad restante de uso eléctrico y transporte al sitio y durante la producción.
Si bien esto ha sido la regla de oro por muchos años, la industria del cemento ha sido muy activa e innovadora en las últimas dos décadas en la reducción del consumo de energía, y por tanto las emisiones de CO2, relacionadas con la producción del clinker y hoy en día por cada tonelada de cemento producida, se emiten aproximadamente 550 kg de CO2, casi la mitad que hace algunos años. Además, los grandes avances en las prácticas para la fabricación de cemento pueden reducir las emisiones de CO2, con implicaciones positivas para el comercio de carbono u otras medidas. Medidas tales como la quema de neumáticos de desecho en lugar de carbón y mejorar la eficiencia de la planta, han dado lugar a algunas reducciones significativas de las emisiones de CO2 procedentes de la fase de fabricación de cemento.
Tabla 3. Ejemplo de reducción de emisiones de CO2 por el uso de un concreto de alta resistencia y un concreto convencional
| Sector | Concreto
280 kg/cm2 |
Concreto
630 kg/cm2 |
| Contenido total de material cementante | 330 kg/m3 | 510 kg/m3 |
| Materiales cementantes suplementarios (Fly ash) | 65 | 24 |
| Cemento Portland | 260 | 490 |
| Dimensiones de la columna | 900 x 900 mm | 600 x 600 mm |
| Concreto por columna | 3,8 m3 | 1,7 m3 |
| Reducción de volumen de concreto por columna | – | 55% |
| Cemento Portland por columna | 1000 kg | 820 kg |
| Reducción de cemento por columna | – | 18% |
*Se considera un diseño de mezcla estándar.
El ingeniero civil debe hacer uso inteligente de los materiales para poder contribuir a la sustentabilidad de la construcción, como en el ejemplo de la tabla 3, considerando el uso de concretos de alta resistencia en lugar de convencional, reducir y/o eliminar materiales de acabado, usar materiales cementantes suplementarios y otros materiales reciclados, optimizar la masa térmica del concreto y solicitar combustibles alternos para la fabricación de cemento.
3.2 Transmisión térmica
La transmisión térmica es la transferencia de calor a través de un cuerpo por convención, conducción o radiación. El aislamiento para reducir la transmisión térmica es el factor clave para la reducción de costos de energía debido a la calefacción y aire acondicionado. Según el World Resources Institute, el 25% de las emisiones de CO2 provienen de la operación de los edificios por uso de electricidad y calefacción. Hay muchos tipos de materiales y sistemas de aislamiento que pueden formar parte de la envolvente del edificio.
La capacidad de un cuerpo para almacenar calor (capacidad de calor) puede usarse como ventaja de conservación de energía. Los materiales con altas capacidades de calor y baja difusividad térmica (transferencia lenta de calor) tienen el potencial de una alta masa térmica. Usar los beneficios de la masa térmica no es un concepto nuevo. Por ejemplo, el concreto es un material con una alta masa térmica que: 1) almacena energía dentro de su masa; 2) modera el efecto de temperaturas extremas externas; y 3) compensa o retrasa las temperaturas exteriores máximas. En otras palabras, el concreto puede almacenar o liberar grandes cantidades de energía térmica (calor), lo que resulta en una reducción de las variaciones de temperatura interior al exponer las superficies de pisos de concreto, techos o paredes al ambiente interior. En un clima cálido, las superficies de concreto expuestas pueden aprovechar las temperaturas nocturnas reducidas para moderar los cambios de temperatura diurnos. En un clima frío, las superficies de concreto expuestas pueden almacenar energía, manteniendo el confort interior durante la noche. Los efectos de la masa térmica se abordan en publicaciones de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE).
Existen muchas soluciones que están fabricadas de poliestireno expandido (EPS), poliestireno extruido (XPS), poliuretano o una combinación de cemento con esferas de poliestireno, que son usadas como material aislante.
3.3 Durabilidad y Vida de Servicio
La durabilidad del edificio se asocia con una larga vida útil o, vida útil más larga de lo esperado. Es importante considerar la durabilidad para entender los efectos financieros y ambientales a través del tiempo. El diseño para una vida útil de 50 años es común, hoy día la tecnología de materiales de alto desempeño, incluyendo la producción e instalación, no permite tener una confianza de vida útil de 200 años. Con un diseño y materiales adecuados pueden durar décadas o incluso siglos, con poco o ningún mantenimiento.
Existen materiales que tienen una larga historia de proporcionar estructuras robustas. El Panteón de Roma, encargado por Adriano y finalizado en el año 126 D.C. y es una impresionante estructura abovedada de concreto con una altura de 43 metros. El Panteón sigue en pie hoy en día, casi 1,900 años después, como uno de los mejor conservados de todos los edificios romanos. El concreto en la época romana utilizo cemento con puzolana.
En obras de infraestructura, como puertos, aeropuertos, presas, carreteras y otros, el tema de durabilidad toma especial relevancia, por los ambientes y agentes adversos a los que están expuestas las obras, tanto en el suelo como en el ambiente, en donde el material que especifiquemos tendrá un papel preponderante en el desempeño por durabilidad de la estructura. Es imperante que hoy día, los proyectos tengan especificados criterios de durabilidad, adicional a los criterios mecánicos.
3.4 Factores Humanos
Es importante resaltar que los seres humanos pasamos entre el 80% y el 90% de nuestro tiempo en el interior de una edificación, ya sea en una oficina, hogar o centros comerciales, etcétera. Los factores humanos incluyen todos aspectos de cómo las personas se relacionan con su entorno, típicamente con un enfoque en la mejora de la salud, la seguridad, la comodidad, la facilidad de uso y el rendimiento/productividad.
Se ha demostrado que los factores humanos, o los lados “más suaves” de la sustentabilidad, influyen positivamente en la productividad de los trabajadores y estudiantes. Vale la pena señalar, que el concreto no es el único material que puede lograr los resultados que estamos a punto de discutir, pero hace hincapié en las formas en que el concreto, como un ejemplo de material, se puede utilizar para apoyar los esfuerzos en estas áreas.
3.4.1 Calidad del aire interior
Una consideración importante para mantener una buena calidad del aire interior es el uso de materiales de baja emisión. Las pinturas, los adhesivos, las alfombras y otros materiales deben tener niveles bajos de compuestos orgánicos volátiles (VOC). Se puede evitar el uso de estos materiales mediante el uso de concreto como superficie terminada para techos, paredes y pisos. Las características estéticamente agradables se pueden incorporar a través del concreto arquitectónico estampado o texturizado y coloreado, sin el uso de pinturas o alfombras. En un sistema concreto aparente, se debe tener cuidado de elegir un sellador que tenga bajos niveles de VOC. En general, cualquier material a utilizar, debe contener bajo contenido de VOC’s.
3.4.2 Iluminación
El uso de la iluminación natural reduce significativamente la necesidad de iluminación eléctrica. Los pisos de concreto u otros materiales de colores claros pueden ser utilizados junto con la luz del día o natural, por ejemplo, una combinación de color concreto natural puede proporcionar un entorno reflectante brillante. Basado en el diseño de la mezcla, el propio concreto puede variar en color desde el blanco, cuando se usa cemento blanco o el uso de cemento con escoria, a varios tonos de gris y marrón/gris sin aditivos colorantes o pinturas.
Los pavimentos de concreto también pueden reducir el consumo de energía eléctrica necesaria para la iluminación para diferentes áreas como la propia superficie de rodadura, estacionamientos y áreas peatonales. Se ha demostrado que la reflectividad de pavimentos de concreto, aumenta la luminancia (una medida de la cantidad de luz que se refleja para el usuario [en candelas por metro cuadrado o cd/m2]) sobre otros materiales de pavimentación. Este aumento de la luminancia, permite una reducción en el número de fuentes de luz necesarias, el ahorro de energía para la iluminación exterior y la reducción de la contaminación lumínica.
3.4.3 Acústica
La acústica puede tener un efecto importante en la comodidad y la productividad de los ocupantes. Los lugares de trabajo pueden ser más productivos y los hogares más tranquilos. Hay dos objetivos principales en la reducción del ruido: 1) reducir la transmisión del ruido a las habitaciones vecinas; y 2) reducir el ruido reflejado dentro de una habitación. Cada uno de estos problemas requiere una solución diferente. Cuando la transmisión es un problema, los materiales de gran masa son eficaces para evitar que el sonido penetre en un área adyacente. El concreto, el ladrillo y la mampostería son conocidos por su reducción de la transmisión de ruido a través de las paredes (o pisos o techos) siempre que el ruido no pueda rodear la barrera o pase por las aberturas. Sin embargo, si la intención es reducir el ruido dentro de una habitación, se necesita un material que absorba el sonido para evitar que las ondas de sonido se reflejen, ya que el concreto tiende a ser un material altamente reflectante del sonido. En habitaciones grandes, particularmente con techos altos, el ruido reflejado puede ser muy perturbador. El concreto aparente mencionado anteriormente, puede no ser deseable para todas las superficies en una habitación, o para habitaciones que deben minimizar el sonido reflectante.
3.4.4 Efecto de isla de calor
Las zonas urbanas pueden alcanzar temperaturas de hasta 5.5 ° C más altas que las áreas no desarrolladas circundantes. La diferencia de temperatura en la superficie tiene la mayor influencia en la reducción del efecto isla de calor. Los materiales con colores claros y materiales porosos, como el concreto permeable, tienden a proporcionar el mayor alivio. Estos materiales con colores claros reflejan el calor en lugar de absorberlo, mientras que los materiales porosos tienen una menor capacidad de almacenamiento de calor debido a su gran porcentaje de huecos, y permiten el enfriamiento por evaporación de la humedad.
Figura 1. Fotografía y Termografía de la rehabilitación del Circuito Interior de la Ciudad de México
Como se observa en la Figura 1, en el proyecto de rehabilitación del Circuito Interior de la Ciudad de México, se especificó la sustitución del material del pavimento, entre un material de color claro y otro de color obscuro. En la termografía se pueden observar temperaturas entre las superficies de hasta 20° C, siendo la más alta en la superficie obscura (51.37°C) y la más baja en la superficie clara de (31.61° C), lo que evidentemente se traduce en una reducción el efecto Isla de Calor.
3.4.5 Seguridad
La seguridad y la seguridad de los ocupantes del edificio son componentes críticos de los aspectos sociales y económicos de la sustentabilidad. Tanto los riesgos naturales como de origen humano, pueden poner en peligro la seguridad y la protección de los ocupantes, así como dañar la estructura del edificio y los materiales con que están construidas. Los peligros más comunes o los eventos extremos a los que está sometido un edificio son, generalmente, las tormentas (huracanes, tornados e inundaciones), terremotos, fuego, explosión, la descomposición orgánica, y daños por insectos o plagas. Los propietarios o dueños de los inmuebles o la edificación, son cada vez más conscientes de la necesidad de hacer estructuras más robustas para resistir estos riesgos, y existen muchos materiales que tienen ventajas significativas en esta área. El uso de estructuras que funcionen como refugio en caso de emergencia, durante mucho tiempo ha sido establecido debido a su resistencia y durabilidad.
Se debe seleccionar un material de alta masa, que proporciona resistencia contra los fuertes vientos presentes en los tornados y huracanes. Las superficies exteriores de concreto en estas condiciones climáticas son preferibles a los materiales de revestimiento o fachada que pueden ser desprendidos y convertirse en escombros, por lo tanto, existe un riesgo de pérdida de vidas y la exposición de los elementos de la edificación.
Después de una inundación, muchos materiales de construcción ya no son utilizables debido a la putrefacción o moho que puede causar problemas de salud graves para los ocupantes. Materiales como el concreto no se pudren, por lo que se puede limpiar y generalmente poner en servicio en un corto plazo después de una inundación.
Figura 2. Única casa de concreto que quedo en pie después del paso del Huracán Katrina en Nueva Orleans, EUA, 2001
3.5 Impacto Económico
El impacto económico es uno de los tres principios de la sustentabilidad, junto con el impacto ambiental e impacto social. Cuando una empresa analiza el “triple resultado final”, es importante darse cuenta de que el componente económico debe estar relacionado con algo más que las ganancias internas de la empresa. El componente económico de la sustentabilidad se extiende a la comunidad local (o más allá de la comunidad global) y se integra con los impactos ambientales y sociales. El impacto económico en sí mismo debería ser sustentable para contribuir significativamente a la comunidad. La compleja interacción que resulta en un beneficio económico para la comunidad a través de la construcción sustentable es difícil de cuantificar. Una estructura de concreto, por ejemplo, resistente a los desastres reducirá las perturbaciones económicas debidas a los desastres naturales al permitir que las empresas, el empleo y el comercio que se encuentran dentro de estas estructuras comiencen a funcionar más rápidamente.
Tanto en los principios sociales como económicos de la sustentabilidad, el impacto local es un factor clave. Un edificio sustentable debería ser un “buen vecino” para la comunidad en términos de proporcionar empleo, estimular la economía local, proporcionar un punto focal positivo y no perturbar el área circundante. El concreto colado en sitio y prefabricado generalmente se produce localmente, utilizando materiales y mano de obra locales (incluido el transporte local). Los materiales a menudo provienen de un radio de 160 km del sitio de construcción, y el concreto premezclado proviene de un radio de 50 km (generalmente mucho menos).
Una reducción en el costo de los materiales y la reutilización de materiales para hacer concreto puede tener un impacto económico muy directo y positivo. Las prácticas que fomentan la reducción en los costos de materiales iniciales han estado vigentes en la industria de la construcción durante décadas (debido a la “rentabilidad” original de proporcionar una estructura económica). El ahorro en la cantidad de material utilizado no solo reduce el costo inicial, sino que también reduce la cantidad de recursos naturales utilizados (materiales para los componentes del edificio y la energía utilizada para producirlos y transportarlos). El concreto (tanto premezclado como prefabricado) tiende a producirse localmente, por lo que también reduce los costos de transporte al tiempo que estimula la economía local. El ingeniero estructurista se esfuerza por tener secciones eficientes para soportar las cargas del edificio. El concreto pretensado (pretensado o postensado) puede ayudar en esa eficiencia con secciones transversales más pequeñas para una sección. Estas secciones también pueden aumentar la durabilidad y la vida útil porque, por lo general, están diseñadas para no romper cargas de servicio. Las secciones tales como las losas de núcleo hueco pretensadas y pretensadas proporcionan eficiencia con un peso reducido y también brindan la oportunidad de utilizar los espacios huecos como conductos. Los prefabricados reducen la formación de residuos en sitio. Los elementos prefabricados se pueden llevar al sitio y montar rápidamente, lo que se traduce en menos tiempo y mano de obra necesarios en el sitio.
El impacto económico asociado con la nueva construcción versus la reutilización de edificios es un tema importante. Comúnmente se percibe que un nuevo edificio de eficiencia energética compensará rápidamente la diferencia en el costo inicial a través del ahorro de energía durante la operación. Este enfoque no siempre considera el impacto económico en el uso adicional de los recursos naturales, el costo a largo plazo asociado con el vertido de los materiales de construcción demolidos y los factores económicos adicionales para la comunidad, como el valor turístico asociado con edificios históricos. La renovación de las estructuras existentes será una contribución cada vez mayor a la sustentabilidad de las comunidades locales.
3.6 Reciclaje
3.6.1. Reducir
Un diseño eficiente e innovador puede reducir la cantidad total de estructura necesaria a través de la reducción de metraje cuadrado y volumen. Por ejemplo, se puede lograr una reducción significativa en la profundidad del ensamblaje de piso-techo con estructuras de concreto, reduciendo dramáticamente el volumen general del edificio y el área de acabados exteriores. Reducir también puede significar casas más pequeñas, o en un cambio cultural, más urbanización que conduce a viviendas de mayor densidad, como en la construcción de rascacielos. Además, la optimización estructural de los componentes del edificio también puede reducir el volumen de materiales utilizados.
3.6.2 Reutilizar
Componentes tales como paneles de concreto prefabricado, adoquines y bloques de mampostería tienen el potencial de ser reutilizados directamente. El proceso de fabricación del cemento también incluye la reutilización de materiales de desecho como pinturas, revestimientos, disolventes, residuos de fabricación de productos químicos y neumáticos viejos para encender el horno. Estos materiales a menudo se clasifican como desechos peligrosos, que requieren un tratamiento especial y la eliminación de la tierra. Las temperaturas alcanzadas en un horno son mucho más altas (más de 1000 ° C) que en un incinerador típico; por lo tanto, los materiales de desecho se someten a una combustión extremadamente rápida y completa. El uso de estos materiales como combustible en lugar de combustibles fósiles ahorra recursos no renovables mientras se deshace de manera segura los materiales de desecho. El volumen de agua de lavado producida en una instalación de concreto premezclado es considerable. Esta agua ahora se está reutilizando cada vez más para hacer concreto nuevo, también se empieza a utilizar agua de desecho de la industria alimenticia, en la cual por sus procesos se rechazan grandes cantidades de agua casi potable. Los subproductos industriales se utilizan como materiales cementicios suplementarios (SCM) o reemplazo de cemento y no solo brindan una opción sustentable a través de la reutilización, sino que también mejoran las propiedades del concreto y reducen los costos. Los subproductos más comúnmente utilizados son cenizas volantes, humo de sílice y cemento de escoria.
3.6.3 Reciclar
Todo el concreto utilizado en un edificio se puede reciclar de alguna manera durante la demolición. El concreto endurecido se rompe y se convierte en escombros en el sitio. El refuerzo se elimina y puede reciclarse. El concreto demolido se puede usar directamente en el sitio para algunas aplicaciones, pero para su uso en concreto reciclado, generalmente se envía a una planta para un procesamiento adicional. En la planta de reciclaje, el concreto se tritura hasta piezas de 65 a 75 mm. En ese punto, cualquier pieza de acero restante se puede quitar con un imán. La ronda final de trituración produce un tamaño agregado máximo de 20 a 25 mm (Comité ACI 555 2001). Cualquier contaminante adicional se elimina luego si es posible. Los contaminantes como el petróleo, el plástico y la madera deben eliminarse lo suficiente para que el concreto se use como agregado de concreto, de modo que las propiedades del concreto reciclado no se vean afectadas negativamente. Los agregados reciclados tendrán una mayor absorción de agua que los agregados vírgenes y se deberán empapar previamente antes del procesamiento por lotes. El concreto hecho con agregados reciclados tiende a tener una resistencia menor, que está relacionada con la resistencia del concreto original que se recicló para hacer el agregado. La fluencia, la contracción y la permeabilidad también tienden a ser más altas en el concreto reciclado (Hansen 1986).