Fabricación aditiva
Diseño de hormigón impreso en 3D para absorber más CO2
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Los límites ambientales del hormigón: uso de arena y emisiones de CO₂
En las últimas décadas, el hormigón se ha convertido en el material de construcción por excelencia, especialmente en entornos urbanos densamente poblados. Ha sustituido progresivamente al ladrillo, la piedra y la madera gracias a su bajo costo, su facilidad de uso y su capacidad para producirse a gran escala.
Pero no está exento de problemas.
En primer lugar, su consumo de recursos dista mucho de ser sostenible. Se utilizan cantidades enormes de arena, hasta el punto de que algunos informes indican que el mundo «se está quedando sin arena».
Fuente: Visual Capitalist
La producción de cemento también consume muchísima energía. Se alimenta casi exclusivamente de combustibles fósiles, por lo que la producción de cemento es responsable del 8 % de las emisiones mundiales de CO₂.
Esto es comparable a las emisiones de los automóviles y las furgonetas, responsables del 10 % de las emisiones mundiales. Por consiguiente, hacer que el hormigón sea más sostenible tendría un impacto equivalente al de sustituir todos los automóviles del mundo por vehículos eléctricos y alimentarlos únicamente con energía limpia.
Sin embargo, estas emisiones también pueden compensarse parcialmente mediante un fenómeno llamado carbonatación, por el que los materiales cementicios absorben CO2 de la atmósfera.
Un nuevo estudio de investigadores de ETH Zurich (Suiza), University of Bath (Reino Unido) y University of Manchester (Reino Unido) analiza la posibilidad de que el hormigón impreso en 3D tenga una huella de carbono menor que la del hormigón convencional gracias a una carbonatación más rápida. Para el hormigón impreso estudiado en Tor Alva, los investigadores calcularon que la carbonatación podría compensar aproximadamente el 21 % de su huella de carbono inicial a lo largo de 50 años.
Publicaron sus hallazgos en Cement and Concrete Research1, bajo el título «(Re)carbonatación: una nueva oportunidad para el hormigón sostenible impreso en 3D».
Hormigón y CO2
La principal razón por la que el hormigón representa una parte importante de las emisiones mundiales de carbono es la calcinación de la piedra caliza (CaCO3), que se descompone en CO2 y óxido de calcio o cal viva (CaO). Luego, la cal viva se combina de inmediato con sílice (SiO₂), alúmina (Al₂O₃) y óxido de hierro (Fe₂O₃) procedentes de la arcilla o la pizarra para formar el cemento final.
«La mayor parte de estas emisiones (normalmente el 60 % [2]) se debe a la calcinación de la piedra caliza (CaCO3), que se descompone en CO2 y óxido de calcio (CaO) antes del proceso de clinkerización que tiene lugar en el horno. El resto de las emisiones de CO2 del cemento se relaciona principalmente con los combustibles fósiles necesarios para generar energía térmica».
Estas emisiones de carbono pueden compensarse en cierta medida en la etapa siguiente, cuando el cemento se utiliza para construir estructuras de hormigón.
En la pasta de cemento endurecida, los productos de hidratación que contienen Ca reaccionan lentamente con el CO2 del aire y forman carbonatos de calcio, lo que permite secuestrar CO2.
«Desde el punto de vista de la sostenibilidad, esta misma reacción de fijación de CO2 puede denominarse (re)carbonatación. Esta cantidad equivale aproximadamente al 43 % de las emisiones de CO2 asociadas a la producción de cemento».
Sin embargo, este proceso de carbonatación no está exento de inconvenientes. Reduce la alcalinidad de la solución de los poros del hormigón, lo que a su vez puede desestabilizar la película pasivante del acero de refuerzo. Esto puede provocar la corrosión del acero y reducir la vida útil de las estructuras convencionales de hormigón armado.
Esto puede suponer un problema grave para los hormigones de bajas emisiones de carbono, ya que tienden a carbonatarse más rápido que el hormigón Portland convencional.
Impresión 3D de hormigón
Un ejemplo real
En el contexto de los nuevos métodos de construcción que utilizan la fabricación digital con hormigón, la impresión 3D de hormigón es la tecnología más extendida y prometedora.
Para evaluar la huella de carbono real de esta técnica, los autores del estudio desarrollaron una metodología para evaluar su análisis dinámico del ciclo de vida (LCA). Usaron como caso de estudio real la torre «Tor Alva», impresa en 3D y ubicada en el pueblo de Mulegns, en los Alpes suizos, centrándose en las columnas ramificadas impresas en 3D y la cúpula.
Primero midieron la carbonatación mediante tres métodos distintos: uno se basó en pruebas aceleradas (con una cámara de carbonatación mantenida a 4 % de CO2, 67 % de humedad relativa y 20 °C) y los otros dos, en resultados de carbonatación natural: la medición directa de la profundidad de carbonatación y la cuantificación de carbonatos/CO2 mediante análisis termogravimétrico.
Cómo determinar la tasa real de carbonatación
Para proyectar el efecto de la carbonatación observada, los investigadores utilizaron un horizonte temporal de 50 años. También compararon los resultados de la estructura de hormigón impresa en 3D con los de una estructura construida in situ, de geometría exterior similar y elaborada con una composición de cemento parecida.
Descubrieron que, en la zona donde el hormigón se estaba carbonatando, todo el material disponible reaccionaba y absorbía CO2.
«En la zona carbonatada, la cantidad de CO₂ ligado oscila entre 44,16 y 51 g de CO₂ por cada 100 g de aglutinante hidratado. Esta última cifra equivale a tener suficiente CO₂ para descalcificar todo el silicato cálcico hidratado disponible».
La siguiente pregunta es cuánto carbono capturará realmente el hormigón impreso en 3D a lo largo de su vida útil. Al analizar la penetración del proceso de carbonatación mediante ensayos acelerados, determinaron que, en 50 años, se carbonataría el 86 % de todo el mortero impreso utilizado en la torre, lo que suma 32 m³ de hormigón impreso carbonatado.
Al comparar estos resultados con las mediciones de carbonatación natural, la medición directa de la profundidad de carbonatación arrojó una cifra similar (89 %). Los métodos dieron estimaciones distintas del alcance de la carbonatación, pero esos porcentajes no miden directamente la absorción total de CO₂. Los investigadores explican que los indicadores de pH pueden pasar por alto una absorción considerable antes de que el material cambie de color. El análisis termogravimétrico mide directamente la absorción y respaldó una reducción estimada del 21 % en la huella de carbono del hormigón impreso, frente al 14 % calculado mediante mediciones de pH de la carbonatación natural.
En comparación con la estructura de hormigón vertido in situ, la huella de carbono de Tor Alva es menor, gracias a que se utilizó un 25 % menos de hormigón y a que la carbonatación fue mejor.
«A pesar de contener un 25 % menos de material cementoso, la estructura de hormigón impreso en 3D (3DPC) puede fijar 2,5 veces más CO₂ que la estructura de referencia de hormigón vertido in situ (4,6 t de CO₂ en la estructura impresa y 1,9 t de CO₂ en la estructura vertida)».
Mayor captura de carbono
Este estudio indica que una carbonatación rápida puede aumentar la captura de carbono del hormigón y reducir considerablemente las emisiones totales de carbono a lo largo del ciclo de vida de un edificio. Esto es especialmente cierto en las estructuras de hormigón sin barras de acero y en las de hormigón impreso en 3D, gracias a una carbonatación más rápida.
También cabe señalar que los ciclos de congelación y deshielo, como los del caso estudiado (los Alpes suizos), probablemente afectaron tanto a las condiciones de contorno como a las propiedades de transporte interno que rigen el movimiento de la humedad y el CO₂.
En la práctica, esto podría significar que el hormigón impreso en 3D en climas más cálidos actuaría como un sumidero de carbono aún más eficaz, aunque hacen falta más estudios para demostrarlo.
«La congelación del agua de los poros podría obstruir parcialmente la red de poros y, por tanto, reducir el transporte efectivo y ralentizar la carbonatación. Estos resultados indican que, al describir la carbonatación en condiciones ambientales de este tipo, deben tenerse en cuenta los efectos de las bajas temperaturas, ya sea por el bloqueo parcial de los poros, por cambios en el estado de humedad o por una combinación de ambos factores».
Esto también abre una nueva perspectiva sobre cómo optimizar la impresión de hormigón en 3D. La optimización de la carbonatación podría convertirse en un parámetro adicional para optimizar la geometría de las estructuras de hormigón impreso en 3D, de modo que la mayor superficie posible quede expuesta a la carbonatación.
Esto no significa que el hormigón impreso en 3D sea un método de construcción sin emisiones de carbono. Incluso con una carbonatación optimizada, las emisiones generadas durante la calcinación en la producción del cemento siguen siendo considerables. Y, por supuesto, el carbono que se vuelva a absorber a lo largo de 50 años contribuirá significativamente al cambio climático durante ese tiempo.
Sin embargo, si estas emisiones de carbono se capturaran en las fábricas de cemento, la carbonatación posterior del edificio de hormigón podría convertir realmente este tipo de infraestructura en un sumidero neto de carbono, pese a estar hecha de hormigón.
Es mucho más probable que el hormigón impreso en 3D alcance primero ese objetivo, al combinar una geometría optimizada, aglutinantes con bajas emisiones de carbono y un refuerzo adecuado. Esto, a su vez, podría abrir una oportunidad para los proveedores de materiales de construcción.
Invertir en tecnología avanzada del hormigón
CRH
CRH Gráfico de precios
Como uno de los líderes mundiales en la producción de cemento, CRH será fundamental para transformar la construcción con cemento en una industria más sostenible. Ocupa el primer puesto por volumen total de materiales de construcción suministrados tanto en los mercados de Estados Unidos como en los de Europa.
Fuente: CRH
La empresa opera en 28 países y 3.390 ubicaciones, y emplea a 78.500 personas; CRH Americas genera el 65 % de sus ventas mundiales. También es, con diferencia, la mayor empresa cementera, una posición de liderazgo que se ha consolidado aún más con su reciente adquisición de Arcosa.
«La operación refuerza la posición de CRH como líder en áridos en Estados Unidos y a escala mundial, y aumenta su exposición a algunas de las áreas estadísticas metropolitanas (MSA) de más rápido crecimiento del país».
Fuente: CRH
CRH espera que el sólido gasto de los gobiernos occidentales en infraestructura contribuya al crecimiento de su negocio. También deberían favorecerlo las tendencias de reindustrialización y de relocalización nacional de la fabricación de alta tecnología.
CRH ha avanzado considerablemente en sostenibilidad con una serie de iniciativas:
- Es el mayor reciclador de Norteamérica: en 2023 recicló 43,9 millones de toneladas de residuos y subproductos de otras industrias.
- En 2023 redujo sus emisiones de CO₂ un 8 % gracias al uso de combustibles alternativos, que representaron el 36 % del combustible utilizado en sus plantas de cemento.
- Su objetivo es reducir las emisiones un 30 % para 2030, en comparación con las de 2021.
CRH también impulsa cambios más profundos en el sector. En particular, ha invertido 75 millones de dólares en Sublime, una empresa de cemento con bajas emisiones de carbono, junto con el gigante europeo del hormigón Holcim.
Sublime Systems surgió del MIT en 2020 con el objetivo de utilizar un electrolizador para producir cemento a temperatura ambiente y sustituir los hornos, que consumen mucha energía y combustibles fósiles. Además, permite utilizar fuentes de calcio como material de entrada, lo que evita la liberación de CO₂ procedente de la caliza utilizada como materia prima.
Está previsto que la primera planta comercial de Sublime, en Holyoke, abra como muy pronto en 2026. Si demuestra tener éxito, podría cambiar las reglas del juego en la industria del cemento y abrir el camino a la producción de hormigón con bajas emisiones a gran escala.
CRH también invirtió en otras empresas emergentes dedicadas a la descarbonización y la sostenibilidad:
- 23,7 millones de euros en Cool Planet Technologies, que desarrolla soluciones de captura de carbono para sectores cuya descarbonización ha sido tradicionalmente difícil.
- 34,7 millones de dólares invertidos por CRH y otros inversores en Carbon Upcycling Technologies, que utiliza una solución de mineralización totalmente eléctrica para almacenar permanentemente CO₂ en subproductos y minerales industriales, como cemento, plásticos, productos de consumo, fertilizantes y productos farmacéuticos.
- AICrete, una plataforma de «receta como servicio» que colabora con productores locales de hormigón para optimizar el uso de materiales locales y reducir la cantidad de cemento empleada mediante análisis de IA, disminuyendo así tanto la huella de CO₂ como el costo de producción del hormigón.
- La financiación de serie B de FIDO AI se destina a una empresa emergente que utiliza IA para reducir el consumo de agua y aumentar el ahorro de agua.
Por último, CRH también está invirtiendo en la impresión 3D de hormigón (3DCP) a través de su filial Amerimix.
En conjunto, CRH es un líder rentable en el sector del hormigón y la construcción, y se está preparando activamente para la descarbonización del sector, tanto directamente en sus instalaciones actuales como mediante su papel destacado como proveedor de capital para empresas emergentes innovadoras que crean tecnologías de nueva generación para producir cemento y hormigón, incluidas las relacionadas con la descarbonización y la impresión 3D.
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Estudio citado
1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)carbonatación: una nueva oportunidad para el hormigón sostenible impreso en 3D. Cement and Concrete Research. Diciembre de 2026. Artículo: 108411. Volumen 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411
