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Nature Communications volumen 14, número de artículo: 4574 (2023) Citar este artículo

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El aumento de la población urbana y el deterioro de la infraestructura están impulsando una demanda sin precedentes de hormigón, un material para el que no existe otra alternativa que pueda satisfacer su capacidad funcional. La producción de hormigón, en particular el cemento hidráulico que une el material, es una de las mayores fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del mundo. Si bien se trata de una fuente de emisiones bien estudiada, aún no se conocen bien las consecuencias de las decisiones eficientes de diseño estructural en la mitigación de estas emisiones. Aquí, mostramos que una combinación de decisiones de fabricación e ingeniería tiene el potencial de reducir más del 76% de las emisiones de GEI de la producción de cemento y hormigón, lo que equivale a 3,6 Gt de CO2-eq menos de emisiones en 2100. Los métodos estudiados también resultan en emisiones más eficientes. utilización de recursos al reducir la demanda de cemento hasta en un 65%, lo que lleva a una reducción esperada en todas las demás cargas ambientales. Estos hallazgos muestran que la flexibilidad dentro de los enfoques actuales de diseño de concreto puede contribuir a la mitigación del clima sin requerir una gran inversión de capital en métodos de fabricación alternativos o materiales alternativos.

Los materiales a base de cemento son esenciales para el desarrollo urbano, no existiendo ningún material alternativo que cumpla con su capacidad funcional1,2. Existen varios usos del cemento en dichos materiales, como en el hormigón y el mortero (todos los materiales compuestos que utilizan cemento se denominan aquí hormigón, que es su aplicación más común). A medida que la población mundial crezca, crecerá el desarrollo, mantenimiento y extensión de las áreas urbanas; Las estimaciones proyectadas muestran que para 2030, casi mil millones (un aumento del 22% en comparación con 2018) más personas vivirán en áreas urbanas3. Con tal crecimiento urbano, la demanda de hormigón seguirá aumentando, con tasas superiores a las del crecimiento demográfico4.

El concreto está en una posición única para satisfacer las necesidades de muchas infraestructuras civiles y sistemas de construcción debido a la amplia disponibilidad de los componentes primarios del concreto y la resistencia y durabilidad que se pueden lograr con este material1,2. El hormigón consta de agregados finos y gruesos (arena y rocas trituradas), agua, aditivos y un aglutinante hidráulico (cemento) que reacciona con el agua para unir estos componentes formando un conglomerado artificial. Importantes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) son atribuibles a la producción de materiales a base de cemento, aproximadamente el 8% de las emisiones antropogénicas globales de CO25, que es principalmente una función de la producción de clinker (el precursor del cemento). El clinker es un material calcinado y templado que requiere altas temperaturas para crear la mineralogía deseada, lo que genera emisiones asociadas a combustibles para energía térmica y emisiones químicas de CO2 por la descarbonatación de la piedra caliza en su producción.

La sociedad debe alcanzar emisiones netas de GEI cero para 2050 para limitar el calentamiento a 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales6 y, para lograrlo, las industrias “difíciles de descarbonizar”, como las del cemento y el hormigón7, deben encontrar vías de mitigación. Existen varias estrategias de mitigación comúnmente discutidas para estas emisiones, incluido el uso de combustibles alternativos, el uso de equipos más eficientes, la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) o la reducción de la demanda de clinker mediante el uso de materiales cementantes suplementarios (SCM)8,9 . Las tecnologías CCUS no están bien establecidas para la industria10, y si bien se han propuesto cementos y agregados alternativos11,12,13, su eficacia puede verse obstaculizada por la disponibilidad de recursos, los costos o una industria con aversión al riesgo14,15. Fundamentalmente, mejorar la eficiencia de los materiales, en la que se utiliza menos material para lograr el mismo rendimiento, es un paso clave para mitigar los impactos ambientales de la producción de materiales16,17,18. Este paso debe utilizarse al unísono con alternativas de materiales de bajas emisiones para superar los desafíos de emisiones de GEI del entorno construido.

Reducir la demanda de materiales y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de desempeño respaldará la provisión de la infraestructura necesaria y contribuirá a reducir múltiples impactos ambientales. Sin embargo, el papel del diseño estructural de ingeniería en el uso eficiente de los sistemas de hormigón se ha examinado sólo de forma limitada19,20. En este trabajo, cuantificamos sistemáticamente el papel potencial de los cambios de fabricación, en combinación con la dosificación de la mezcla y el diseño de ingeniería en la utilización eficiente del hormigón en todo el mundo (ver Fig. 1). Aquí, consideramos las reducciones de emisiones resultantes de: (i) el uso de cambios de fabricación con el potencial de reducir las emisiones de GEI; (ii) cambios en los componentes y proporciones de la mezcla de concreto (por ejemplo, reducción del contenido de cemento mediante el reemplazo parcial con SCM); (iii) variación en la resistencia a la compresión del concreto seleccionada, relación de refuerzo seleccionada y código de diseño implementado para miembros de concreto reforzado; y (iv) el efecto del aumento de la vida útil de los edificios y la infraestructura. Estos múltiples métodos se integran para determinar el efecto acumulativo de las reducciones de emisiones, algunos de los cuales se han establecido o estudiado de forma aislada, como Habert9, Reis21, Eleftheriadis20 y Marsh22. Las implicaciones son fundamentales para comprender cómo impulsar tecnologías de materiales alternativos que conduzcan a mitigaciones significativas de las emisiones de GEI, y políticas que guiarán la aplicación y el uso apropiados del concreto para satisfacer las demandas de la sociedad, al tiempo que se mitigan las emisiones. Aunque también se pueden lograr reducciones en las emisiones de GEI mediante el uso de sistemas estructurales alternativos, como marcos de acero en lugar de marcos de concreto en ciertos escenarios, este estudio se centra únicamente en la mitigación mediante concreto reforzado. El análisis de las estructuras de hormigón armado frente a las de acero depende en gran medida del sistema estructural considerado y los resultados varían de un caso a otro23.

Se estudiaron métodos para reducir las emisiones de GEI en tres fases de diseño para evaluar el potencial de mitigación: (i) intervenciones en la fabricación de cemento; (ii) intervenciones en la dosificación de la mezcla de concreto; (iii) intervenciones en el diseño de miembros concretos – teniendo en cuenta las diferencias en los estándares de diseño globales; y (iv) intervenciones en el diseño de sistemas construidos y extensión de la vida útil del sistema. Para determinar los beneficios de estas fases, los impactos se escalan al potencial de mitigación global.

Para mostrar la oportunidad de reducir las emisiones de GEI dentro del diseño aceptado actualmente, estimamos las emisiones globales promedio desde la cuna hasta la puerta de la producción de materiales a base de cemento (hormigón y mortero), con base en los valores de producción de referencia de 2015. Se modeló una proyección de las emisiones globales de la producción de materiales a base de cemento entre 2015 y 2100 basándose en los niveles de saturación per cápita proyectados, la población proyectada y la vida útil promedio del cemento en 10 regiones globales. El modelo utilizado fue desarrollado inicialmente por Cao et al.24. Los potenciales de mitigación de las estrategias aquí presentadas se estimaron de forma acumulativa, con reducciones asociadas con la fabricación, el diseño y la proporción de mezclas que aumentaron linealmente entre 2015 y 2100; Los beneficios del aumento de la longevidad del material se modelaron basándose en los efectos dinámicos de diversas aplicaciones de hormigón y la reducción asociada en la producción de cemento en años futuros. El impacto de la mejora en la eficiencia de fabricación de cemento y el efecto de la creciente sustitución global del cemento por SCM se determinaron como la reducción de las emisiones de GEI por un metro cúbico de concreto en comparación con la producción actual, y posteriormente se ampliaron a la producción global de concreto para examinar la reducción global. en emisiones. Las posibles reducciones derivadas de la optimización del diseño estructural se calcularon basándose en una relación entre las proporciones de la mezcla (emisiones de la producción de hormigón) y la resistencia a la compresión25 y la cantidad de refuerzo de acero utilizado. Cabe señalar que la resistencia del hormigón y la magnitud del refuerzo de acero utilizado afectarán el volumen de cada uno de estos materiales que se debe especificar. Para abordar este factor, se derivó un modelo que vincula la resistencia del concreto y la relación de refuerzo con los impactos ambientales de una columna o losa26, para un marco estructural unitario, y basado en tres códigos de diseño diferentes. El impacto de la extensión de la vida útil para reducir la demanda futura de cemento se basó en los tiempos promedio de uso de los edificios e infraestructuras a base de cemento en cada una de las 10 regiones globales.

Para comprender la eficacia del diseño estructural a la hora de contribuir a la reducción de las emisiones de GEI, este trabajo establece comparaciones con los métodos de mitigación más convencionales analizados, que normalmente giran en torno a mejoras en la fabricación de cemento y hormigón. Si bien existe una variedad de mejoras en la fabricación que se pueden implementar para reducir las emisiones de GEI de la producción de cemento y concreto, aquí consideramos métodos comunes para mejorar la eficiencia de los hornos de cemento, reemplazar los combustibles de los hornos con altas emisiones por gas natural y usar un combustible de baja emisión. emisiones de la red eléctrica durante la producción de componentes primarios (por ejemplo, cemento, áridos).

Para realizar dicha comparación, derivamos las emisiones de GEI asociadas con la producción de concreto utilizando datos establecidos que reflejan la práctica global actual como línea de base, y luego evaluamos los efectos del uso de modificaciones de fabricación para reducir estas emisiones. Consideramos las emisiones basadas en procesos (por ejemplo, emisiones de la descarbonatación de piedra caliza) y basadas en energía (por ejemplo, de recursos de energía térmica, demanda de electricidad y transporte). Si bien abordamos el papel de las decisiones de diseño y la fase de uso en etapas posteriores, el modelado inicial es para los impactos desde la cuna hasta la puerta (es decir, desde la adquisición de materia prima hasta la dosificación del concreto) para un metro cúbico de concreto. Los supuestos para los recursos energéticos, los niveles iniciales de uso de material cementante suplementario y las proporciones de la mezcla se estipulan en los Métodos y la Información complementaria.

Nuestros resultados, que están en línea con la hoja de ruta de la GCCA27, indican que las modificaciones de fabricación comunes consideradas podrían contribuir a reducciones de emisiones de GEI del 1% con una mayor eficiencia del horno, ~15% con el reemplazo de fuentes de energía térmica de mayor emisión en los hornos con gas natural, ~6% con electricidad eólica utilizada para satisfacer todas las demandas de electricidad, por lo tanto ~20% para todas las mejoras de fabricación combinadas (ver Fig. 2d, e, f – datos en Datos complementarios 1). En particular, en este trabajo nos centramos en medidas que pueden implementarse fácilmente, por lo que excluimos tecnologías que no están actualmente establecidas (por ejemplo, CCUS). Además, observamos que las medidas que presentamos se han establecido como factibles (por ejemplo, el sistema de electricidad eólica para la producción de cemento en el desierto de Mojave en California), pero se podrían lograr reducciones de emisiones similares con otras tecnologías establecidas (por ejemplo, electricidad solar).

La correlación entre el contenido de clinker, las emisiones de GEI y la resistencia a la compresión se confirma para esta selección de mezclas de concreto, y se muestra que al implementar todas las mejoras de fabricación enumeradas a continuación, las emisiones promedio de GEI por metro cúbico de concreto se pueden reducir en aproximadamente un 20 %. Además, entre mezclas dentro de la misma clase resistente, existe una gran variación en el contenido de cemento y las emisiones de GEI. a Ejemplo de variación en el contenido de aglutinante (aquí, consideramos que el aglutinante es la masa seca de clinker más todos los aditivos minerales) para cada una de las tres categorías de resistencia a la compresión basadas en mezclas de la literatura (ver "Métodos"); Cemento Portland y materiales cementosos suplementarios considerados en el conglomerante en polvo. b Ejemplo de variación en el contenido de clinker para cada una de las tres resistencias a la compresión. c Emisiones aproximadas de GEI para producir estas mezclas de concreto. d Emisiones de GEI provenientes de la producción de estas mezclas de concreto si todos los hornos estuvieran operando a los niveles más eficientes reportados a nivel mundial; Tenga en cuenta que la mayoría de los hornos actuales son eficientes, por lo que se observan pocas mejoras. e Emisiones de GEI derivadas de la producción de estas mezclas de hormigón si se utilizara gas para reemplazar fuentes de energía térmica con mayores emisiones en los hornos. f Emisiones de GEI derivadas de la producción de estas mezclas de hormigón si las demandas de electricidad en la cadena de suministro se cumplieran mediante el uso de turbinas eólicas. g Emisiones de GEI provenientes de la producción de estas mezclas de concreto si todas las mejoras (es decir, hornos eficientes, energía térmica de gas y electricidad eólica) se utilizaran simultáneamente. Nota: para (d – g), las líneas discontinuas representan emisiones medias sin mejoras de fabricación.

Sin embargo, debido a los medios comunes para aumentar la resistencia (es decir, un mayor contenido de cemento), tiende a haber mayores emisiones de GEI para las mezclas de concreto de mayor resistencia: por ejemplo, sin ninguna mejora en la fabricación, hay un aumento del 75% en las emisiones para un 50 Mezcla de MPa en relación con una mezcla de 20 MPa (es decir, una diferencia de 140 kg CO2-eq/m3 entre las emisiones medianas por m3); se mantiene una diferencia similar en las emisiones medianas incluso cuando se implementan las mejoras de fabricación (130 kg CO2-eq/m3) (ver Fig. 2c - datos en Datos complementarios 1).

Sin embargo, simplemente seleccionando mezclas adecuadas, como aquellas capaces de conseguir la resistencia deseada con un menor contenido de clinker28, se pueden reducir las emisiones en rangos similares sin necesidad de realizar mejoras en la fabricación. Existe variabilidad en las emisiones de GEI dentro de los grupos de resistencia como resultado de las diferentes proporciones de la mezcla: según nuestros datos, hay una variación de ~20 % a 20 MPa, ~40 % de variación a 35 MPa y ~55 % de variación a 50 MPa, con una alta correlación. entre las emisiones de GEI del hormigón por m3 y el contenido de clinker dentro de la mezcla (R2 = 0,98). Comparando el percentil 25 de emisiones de GEI con la mediana de mezclas de concreto capaces de alcanzar la misma resistencia (sin mejoras de fabricación), el percentil 25 es un 8% menor que la mediana para 20 MPa, un 4,5% menor que la mediana para 35 MPa, y un 9% más bajo que la mediana para 50 MPa. Estos resultados podrían tener impactos sustanciales en la forma en que consideramos el diseño prescriptivo (donde se especifica un contenido mínimo de cemento en lugar de un indicador de desempeño, como alcanzar una determinada resistencia a los 28 días). Sin embargo, la variabilidad en las emisiones de GEI por resistencia de 28 días no refleja otros cambios en las características de desempeño obtenidas mediante el reemplazo del cemento para lograr un menor contenido de clinker, como la durabilidad y la trabajabilidad, que son métricas importantes en el diseño de mezclas de concreto.

Más allá de los beneficios que se obtienen al seleccionar las proporciones de mezcla deseadas, que en muchos casos se pueden implementar sin inversión de capital en métodos de fabricación mejorados, existen variaciones sustanciales en las emisiones de GEI entre miembros estructurales diseñados para exactamente los mismos requisitos de desempeño. Los diseños estructurales a menudo no se optimizan debido a la compensación con la eficiencia de la constructibilidad, por ejemplo, las dimensiones de las columnas y los diseños de la mezcla de concreto sólo pueden variar mucho para un proyecto de construcción grande antes de que la construcción se vuelva demasiado compleja, lo cual no es económicamente deseable. Sin embargo, estos resultados muestran el potencial de mitigar las emisiones de GEI mediante una utilización más eficiente de materiales en el diseño estructural, algo que actualmente no se aborda porque los impactos ambientales no están incluidos en los códigos de diseño. Debido a la gran cantidad de miembros y requisitos de desempeño que existen, limitamos esta exploración a columnas y losas, que se encuentran entre los elementos de concreto reforzado más comunes para edificios.

Se exploraron los efectos del cambio de la relación de refuerzo del acero y la resistencia a la compresión del hormigón para reducir el consumo de materiales y las emisiones de GEI. Específicamente, se examinó el diseño de columnas y losas, ya que constituyen una fracción significativa del entorno construido. Utilizando tres de los códigos de diseño más utilizados y adoptados, que reflejan 105 países, se consideró el diseño de miembros permitidos con refuerzo de acero. Se examinó el papel de relaciones de refuerzo más altas o más bajas tanto en las emisiones de GEI derivadas de la cantidad de acero necesaria como de la reducción proporcional de hormigón necesario. Al mismo tiempo, se abordaron los efectos de una mayor resistencia a la compresión del hormigón en parámetros como el área de la sección transversal del miembro. Aquí, abordamos los ahorros de emisiones que podrían acumularse en relación con las relaciones de refuerzo medianas y las resistencias a la compresión medianas consideradas. Los detalles de los cálculos realizados y los supuestos hechos para cuantificar estos beneficios se proporcionan en los Métodos e Información complementaria.

Nuestros hallazgos muestran que dentro de cualquier código de diseño aceptado, la selección de la resistencia del concreto y la relación de refuerzo puede resultar en grandes variaciones en las emisiones (ver Fig. 3 - datos en Datos complementarios 1). Estas variaciones se deben a que las emisiones de GEI por m3 de acero son mucho mayores que por m3 de hormigón, y al hecho de que el área de la sección transversal requerida depende de la resistencia del hormigón. Como resultado, al especificar diferentes volúmenes de cada material y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de diseño, como la deflexión máxima permitida de la losa, pueden producirse cambios notables en las emisiones netas de GEI. En particular, este trabajo muestra que el hormigón de baja resistencia o las bajas proporciones de refuerzo no siempre se correlacionan con bajas emisiones de GEI cuando se considera el diseño completo del miembro, lo cual está en línea con los hallazgos de Belizario-Silva et al.29. Para las losas estructurales diseñadas en las etapas de fluencia y última, las emisiones más bajas para las cargas de nuestro estudio de caso (analizadas en la Información complementaria) ocurren con la relación de refuerzo más alta y la resistencia a la compresión del concreto más baja evaluadas (las emisiones más altas ocurren para la relación de refuerzo más baja y la resistencia más alta). ). En el caso en que la prevención de grietas sea el factor de diseño de control para una losa de concreto reforzado (por ejemplo, pavimento rígido de carretera), es preferible la relación de refuerzo mínima requerida y una baja resistencia a la compresión según la Fig. 3a. A diferencia de la losa en la etapa de fluencia y última, el refuerzo no contribuye a reducir el área de sección transversal requerida de concreto y, por lo tanto, aumentar la relación de refuerzo solo aumenta el impacto ambiental. Sin embargo, a diferencia de las losas (etapa de fluencia y última), para las columnas de hormigón armado, las emisiones de GEI más bajas se producen con la relación mínima de refuerzo de acero y la resistencia a la compresión del hormigón más alta evaluadas (las emisiones más altas ocurren para la relación de refuerzo máxima y la resistencia más baja). Utilizando una columna de ejemplo diseñada para cumplir con el código de diseño de los Estados Unidos (ACI-318), el código de diseño estándar europeo (Eurocódigo 2) y el código de diseño estándar indio (IS 456:2000), se observan más diferencias en las emisiones de los miembros: una diferencia de >46 kg CO2-eq para la columna que utiliza el código ACI-318 (esto representa un 70 % más de emisiones que las emisiones más bajas de la columna que utiliza este código); una diferencia de >63,1 kg CO2-eq (90 % entre el máximo y el mínimo) para la columna que utiliza el Eurocódigo 2; y una diferencia de ~51 kg CO2-eq (60 % entre el máximo y el mínimo) para la columna que utiliza el código estándar indio. Para las losas diseñadas para doblarse en la etapa final, existe una diferencia de 58 a 93 % entre los miembros con emisiones más altas y más bajas que cumplen con los requisitos del código de diseño con las mismas condiciones límite y carga. En el diseño de losas (definitivo), hay una diferencia mayor en las emisiones de GEI para una relación de refuerzo baja que para una relación más alta, lo que sugiere que si se utiliza una relación baja, hay una mayor dependencia de una alta resistencia del concreto o una mayor área de la sección transversal del concreto. (espesor de la losa), lo que resulta en un mayor impacto. Sin embargo, el uso de refuerzo excedente es ineficiente debido al impacto volumétrico significativamente mayor del refuerzo. Si bien las tendencias son similares entre los códigos utilizados en diferentes regiones, el diseño de losas según el Eurocódigo 2 y las columnas según ACI-318 produce el menor impacto. Si todos los países/regiones diseñaran para lograr el menor impacto según el Eurocódigo 2 y ACI-318 para losas y columnas, respectivamente, se obtendría una reducción de aproximadamente 67 Gt de emisiones de GEI entre 2015 y 2100 (según un modelo de una unidad, aquí definida como 1 losa + 4 columnas). Los autores reconocen que se trata de un modelo simplificado, pero no obstante útil para el argumento que nos ocupa. Las losas que se extienden sobre múltiples soportes, así como las losas pretensadas y postensadas, son diseños comunes que podrían producir resultados diferentes a los de la losa simplemente apoyada modelada. En este caso, se supuso que el 20% de las emisiones de GEI provienen del hormigón utilizado en otras aplicaciones además de columnas y losas, como en cimientos. Además, si asumimos una línea de base de 30 MPa (la mitad del rango de resistencia considerado en este trabajo) y una relación de refuerzo longitudinal mediana (losas, última: 0,26% de relación de refuerzo y 0,45 m de espesor, losas con fisuración: 0,6% de relación de refuerzo y 0,34 m de espesor, columnas: 3,5% de relación de refuerzo y 0,18 m de ancho de columna), entonces elegir la combinación óptima de resistencia y relación de refuerzo podría reducir las emisiones de las losas entre un 20% y un 25%, las emisiones de las columnas entre un 18% y un 22% y las emisiones unitarias en aproximadamente un 23%. % para estos tres códigos. Si, en cambio, se utiliza acero de refuerzo con un mayor impacto ambiental, las reducciones resultantes son ~20 % para losa, ~30 % para columna y ~21 % para una unidad (consulte la sección de Métodos para el análisis de sensibilidad). Sin embargo, en el presente análisis se utiliza el menor impacto ambiental del acero de refuerzo.

Para las mismas condiciones de carga y longitud/altura, la resistencia a la compresión y la relación de refuerzo de un miembro diseñado para compresión o flexión se pueden optimizar para minimizar su impacto ambiental. Para una columna, las emisiones de GEI se minimizan para una relación de refuerzo baja y una resistencia a la compresión alta, mientras que para una viga, utilizar una relación de refuerzo más alta y una resistencia baja da como resultado un impacto más bajo. a Emisiones de GEI, por ejemplo, miembros diseñados siguiendo cada uno de los tres códigos de diseño, considerando diferentes resistencias a la compresión del concreto y relaciones de refuerzo. Nota: las cargas y las etapas de diseño de la relación momento-curvatura varían entre la columna, la losa diseñada con control de fisuras, la losa diseñada con la fluencia de la barra de refuerzo y la losa diseñada con su capacidad máxima; Para el diseño de la losa, este trabajo considera relaciones de refuerzo dentro de la deflexión permitida. b Mapa de las ubicaciones donde se están implementando estos códigos, o sus permutaciones (nota: las fronteras de los países para el mapa utilizan una función escrita por C. Greene. “Borders”. Universidad de Texas en el Instituto de Geofísica de Austin (UTIG), Austin , Texas (2015)56). Información sobre implementaciones de código y uso de referencias. 57,58,59,60.

Este trabajo considera que se proyecta que la tasa de crecimiento de la población en las áreas urbanas será mayor que el crecimiento de la población general, y que las áreas urbanas se encuentran predominantemente en las regiones costeras3. El uso de SCM mediante su incorporación en cementos mezclados aumenta la resistencia del concreto al ingreso de cloruro y, por lo tanto, la durabilidad en las regiones costeras30,31. Aunque la carbonatación es otro problema común de durabilidad, específicamente para la corrosión del refuerzo de acero, debido a varios factores que deben estar presentes para que se inicie la corrosión, como se explica en la Información complementaria, la carbonatación no se consideró en este análisis. Se hicieron proyecciones de la demanda de concreto y las emisiones de GEI asociadas hasta 2100, teniendo en cuenta los cambios en el crecimiento de la población, las demandas per cápita de concreto en uso y la riqueza nacional (ver Métodos). Se utilizó una mayor durabilidad del concreto en las regiones costeras para estimar los beneficios para la longevidad del concreto (ver Fig. 4—datos en Datos complementarios 1). En este caso, existe un doble beneficio al utilizar un enfoque de cemento mezclado: (a) un aumento sustancial en la vida útil, al evitar el deterioro prematuro debido al ingreso de cloruro (con los impactos de reparación asociados) y la "obsolescencia"32,33, y (b ) que los SCM suelen permitir una reducción de las emisiones de GEI del hormigón en comparación con el cemento Portland simple34, mejorando así la sostenibilidad del sistema.

Al adaptar estrategias de reducción maduras, las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI) provenientes del hormigón armado se pueden reducir hasta en un 76% en 2100 en comparación con un escenario habitual. La mayor influencia tiene la reducción de la demanda de cemento mediante el aumento del uso de SCM y el aumento de la longevidad estructural. La reducción potencial de las emisiones de GEI entre 2015 y 2100 si se implementan todos los métodos, a saber: (i) si se consideran todas las intervenciones de fabricación; (ii) si se consideran los efectos de una mayor sustitución del cemento por material cementante suplementario; (iii) si se considera la optimización del diseño de los miembros; y (iv) si se considera una mayor longevidad estructural. Para (i)-(iii), las reducciones de emisiones se modelan aquí como una implementación creciente linealmente en el tiempo con una implementación del 100% para 2100; sin embargo, la implementación podría ocurrir a un ritmo mucho más rápido. Para alargar la vida útil de los sistemas, las reducciones de emisiones se modelan en función de la dinámica de las existencias. a Magnitud de la reducción de emisiones de cada medida considerada por separado. b Magnitud de la reducción de emisiones de cada medida considerada de forma acumulativa. La reducción de las emisiones de GEI entre 2018 y 2030, así como las caídas posteriores, reflejan modelos de proyección que estiman la producción anual de cemento en función de las existencias de cemento per cápita y el crecimiento de la población. Las caídas en las emisiones anuales reflejan que regiones como Europa y China experimentan una disminución o una estabilización de los requisitos de cemento en relación con estos parámetros. Se proyecta que el crecimiento esperado de la población y las inversiones en la construcción de infraestructura en países/regiones como India, África y Asia en desarrollo causarán un aumento global en las emisiones de GEI provenientes de la producción de cemento (obsérvese el rápido aumento después de ~2030). (Nota: Proyecciones modeladas en base a datos, crecimiento demográfico y predicciones de saturación de recursos desarrolladas antes de la pandemia de COVID-19; a medida que se acumulen nuevos datos, el trabajo futuro debería tener en cuenta los efectos de esta pandemia en la demanda concreta).

La nueva producción de cemento podría reducirse mediante una mejor utilización y extensión de la vida útil de los recursos en existencia para los sistemas de concreto; esta reducción, a su vez, influiría en la cantidad de emisiones de GEI asociadas con la reducción de la producción de cemento. En este trabajo, aplicamos este concepto examinando los flujos de materiales asociados con la producción de cemento y concreto. Es decir, abordamos la variabilidad regional en la magnitud del concreto producido, ya sea que se use en edificios residenciales, edificios no residenciales o infraestructura civil, y la longevidad estimada actual del concreto en cada una de esas aplicaciones para cada una de las 10 regiones que reflejan la mundo. Utilizando estas estadísticas de referencia sobre producción, utilización y longevidad, cuantificamos los efectos de reducir la demanda de cemento nuevo si las aplicaciones de cemento existentes tuvieran una vida útil más larga. Es decir, al proyectar la demanda futura de concreto (teniendo en cuenta las diferencias en la aplicación, los impulsores de la demanda regional, como el crecimiento de la población, y cuándo el concreto existente cumpliría los estados límite y requeriría reemplazo), modelamos los efectos de aumentar el período antes de que se alcance un estado límite. . Aquí suponemos que si no se alcanza un estado límite, entonces el hormigón existente puede permanecer en servicio y no requeriría hormigón nuevo para reemplazarlo. Como resultado, aumentar este período hasta alcanzar un estado límite mitiga el consumo futuro de hormigón.

Dicho modelado requiere varias suposiciones con respecto a factores tales como qué regiones tendrán acceso y capacidad para utilizar SCM para mejorar la durabilidad, qué regiones serán susceptibles al deterioro y mecanismos de falla que se beneficiarán de la utilización de SCM, y cuánto se puede alargar la vida útil. anticipado. Aquí consideramos un escenario en el que todo el cemento Portland convencional se puede reemplazar con hasta un 50% de SCM en áreas costeras con ambientes ricos en cloruro, lo que lleva a que la vida útil de los nuevos edificios se extienda tres veces y otros sistemas de concreto se multipliquen por cuatro ( ver estimaciones para la extensión del servicio en Métodos e Información complementaria). En este caso, se podría lograr una reducción de 175,7 Gt (47,1%) de emisiones de GEI (ver Fig. 4); Incluso si estos beneficios solo se lograran en la mitad de todos los casos considerados, esto equivaldría a reducciones de emisiones de ~ 25% o ~ 90 Gt, reducciones aún muy sustanciales. Utilizando otros escenarios donde se pueden obtener niveles más bajos de extensión de la vida útil o no todas las regiones pueden acceder/utilizar este alto nivel de SCM para mejorar la durabilidad del concreto, o los cambios en la extensión de la vida útil ocurren antes según el uso actual de SCM, seguimos viendo Se obtienen beneficios significativos al aumentar la longevidad de las estructuras, siendo necesaria una reducción del 25 al 55 % en la producción de cemento y, de la misma manera, una reducción del 25 al 55 % en las emisiones de GEI (consulte el análisis de sensibilidad en Métodos e información complementaria). Los autores reconocen que el aumento de la vida útil de las estructuras de hormigón tiene otros factores que abordarse más allá de la durabilidad del material, como la introducción de avances en el diseño que ofrezcan la misma funcionalidad a menores costos operativos, cambios en el uso y cambios en los estándares o legislaciones que impactan la vida útil de la estructura. vida útil económica. Además, para que las estructuras estén en uso por más tiempo, podría ser necesario modernizarlas y darles mantenimiento, lo que resultaría en un consumo adicional de material. A pesar de estas limitaciones, es fundamental que consideremos la vida útil de nuestros sistemas, ya que se pueden lograr beneficios ambientales sustanciales aprovechando los cambios en el uso de materiales en esta etapa.

Al proyectar la demanda de cemento y las emisiones de la producción, se examinan los efectos acumulativos de las estrategias discutidas anteriormente entre 2015 y 2100: todas las mejoras en la fabricación conducirían a una reducción del 21% en las emisiones de GEI; un mayor uso de cenizas volantes y escorias (GGBS) como SCM conduciría a reducciones del 11% (con un reemplazo del 30%) al 34% (con un reemplazo del 50%) en las emisiones de GEI; optimizar la resistencia del hormigón y el refuerzo de acero para aplicaciones de construcción conduciría a una reducción del 18,5% en las emisiones de GEI; aumentar la longevidad del sistema de hormigón hasta cuatro veces la vida útil promedio regional actual, lo que resulta en una reducción de la demanda mundial de cemento en un 47,1% y 175,7 Gt de emisiones de CO2-eq. Dependiendo del crecimiento de la población global, la demanda global de cemento resultante variará y, por ende, las emisiones de GEI generadas. Puede encontrar un análisis de sensibilidad para un escenario de crecimiento poblacional alto y bajo en Información complementaria.

El grado de mitigación de emisiones de GEI posible mediante el uso eficiente del cemento y el hormigón, logrado mediante mejoras de diseño dentro de los códigos de diseño actuales, podría utilizarse para informar a ingenieros, científicos de materiales, formuladores de políticas (o redactores de códigos) y otras partes interesadas. Muchos organismos reguladores han enfatizado la necesidad de que todas las emisiones de CO2 alcancen cero emisiones netas en las próximas décadas, de acuerdo con las conclusiones del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático6. Se ha observado un enfoque en las emisiones relacionadas con la producción de cemento en los intentos de cumplir los objetivos establecidos en el Acuerdo de París35 y en las regulaciones regionales (por ejemplo, el proyecto de ley de California para eliminar las emisiones de GEI del cemento36). Sin embargo, debido a las dificultades para eliminar completamente las emisiones de descarbonatación de la piedra caliza provenientes de la producción de cemento7, las estrategias de eficiencia de materiales que limiten la demanda de estos materiales serán un aspecto crítico para cumplir los objetivos de emisiones1,18. Este mecanismo necesario para reducir las emisiones también ha sido aceptado por la industria (por ejemplo, la Asociación Mundial del Cemento y el Concreto27). Aquí mostramos que dentro del diseño ya aceptado, existe una gran oportunidad para reducir las emisiones. La inclusión de evaluaciones de impacto ambiental para calcular la reducción de emisiones de GEI dentro de los códigos convencionales, las especificaciones de materiales y las decisiones de adquisición/diseño es fundamental. Como estos métodos ya pueden aplicarse, deberían ponerse en práctica inmediatamente.

En este trabajo, compilamos los ahorros globales anticipados de emisiones de GEI mediante el uso de varias estrategias de ingeniería clave para reducir las emisiones durante la producción de concreto y utilizar eficientemente materiales a base de cemento. Para hacer esto, estimamos las emisiones de GEI para producir materiales a base de cemento en todo el mundo (es decir, emisiones desde la cuna hasta la puerta). Luego adaptamos estos modelos para reflejar la influencia que tendrían una variedad de mejoras de fabricación en la reducción de las emisiones de GEI. Finalmente, estudiamos la influencia que las mejoras basadas en el diseño (es decir, dosificación de la mezcla de concreto, selección de proporciones apropiadas de refuerzo de acero para cumplir con los estándares de diseño y al mismo tiempo limitar las emisiones y mejorar los períodos de uso del concreto en servicio) pueden tener para alcanzar los objetivos de emisiones netas cero de GEI. . Los métodos para este trabajo se presentan a continuación, y los detalles de las metodologías y los datos utilizados se presentan en la Información complementaria.

Se modelaron las emisiones de la producción de materiales a base de cemento para seis años representativos: 1990, 1995, 2000, 2005, 2010, 2015. Para cada uno de estos años, se midió la eficiencia del horno, la combinación de energía térmica, la demanda de electricidad y el contenido de SCM para el cemento. Los materiales (es decir, cemento Portland y SCM) se determinaron con base en la Iniciativa Getting the Numbers Right (GNR)37,38. El mix eléctrico para todo el sistema de producción se basó en el promedio mundial para los mismos años de la Agencia Internacional de Energía (AIE)39. Los componentes restantes del concreto, incluidos los agregados y el agua, se determinaron en función del uso del cemento, es decir, en concreto o mortero (todos los usos del cemento fuera del concreto se modelaron como si contuvieran constituyentes equivalentes al mortero); Los métodos de cálculo para estos índices se presentan en la Información complementaria. La demanda de concreto se desglosó por clase de resistencia y las distribuciones de los componentes del concreto se determinaron utilizando una base de datos de mezclas de concreto recopiladas de la literatura académica y representativas de los componentes y resistencias del concreto comunes utilizados a nivel mundial (consulte la discusión de los datos en Información complementaria). Las distribuciones se ajustaron a mezclas de concreto en este conjunto de datos que se encontraban dentro de los grupos de resistencia especificados por la Organización Europea del Concreto Premezclado (ERMCO); en estas distribuciones, todos los materiales cementantes se agruparon para formar una distribución, que luego se subdividió según el contenido de aditivos minerales informado por la Iniciativa GNR37. Para estimar los constituyentes del mortero, se modelaron las distribuciones basándose en los constituyentes del mortero estándar informados por ASTM International40. Como se señaló, modelamos materiales a base de cemento que no son concretos como si tuvieran constituyentes aproximados del mortero. Observamos que esta simplificación no abarca todos los materiales a base de cemento. Sin embargo, debido a la escasa disponibilidad de datos para otros productos a base de cemento y a que la mayor fracción de productos distintos del hormigón son morteros, esta es una aproximación aceptada en la literatura académica41.

Se consideró como línea base las emisiones de GEI provenientes de la producción de concreto y mortero en 2015 (fecha en la cual se basan todos los resultados de mitigación y se modelan en base a cada kg de cemento utilizado). Estas emisiones se proyectaron hasta 2100 utilizando las mismas emisiones por kg de cemento consumido y la cantidad de cemento requerida en años futuros, es decir, un escenario de no hacer nada o de seguir como siempre. Los autores señalan que los datos anteriores a 1990 eran limitados; como tal, se supuso que las emisiones por kg de cemento de todos los años anteriores a 1990 eran equivalentes a las emisiones por kg de cemento en 1990, y los cambios en las emisiones acumuladas en esos años reflejaban diferencias en la cantidad de cemento producida anualmente.

Para estimar la demanda futura de cemento, se proyectaron las necesidades de 10 países y regiones utilizando el modelo desarrollado por Cao et al.24. En este enfoque de modelado, el uso del cemento se desglosó por categoría: edificios residenciales (Res), edificios no residenciales (NonRes) y otras aplicaciones de ingeniería civil (CE). Porque el modelo de Cao et al.24. Centrado en la producción posterior a 1950, para este trabajo se utilizan datos históricos de entrada de cemento para los años 1931-1950. Luego, la afluencia de cemento entre 1951 y 2100 se capturó basándose en un enfoque basado en las existencias, siguiendo el procedimiento descrito por Cao et al.24, que utiliza niveles de saturación per cápita (es decir, el umbral superior de demanda per cápita por persona por año). ), el período de tiempo que los materiales a base de cemento permanecen en uso (es decir, la longevidad de los materiales a base de cemento en existencia) y las estadísticas de proyección de población (basadas en datos de las Naciones Unidas) sintetizadas por Cao et al.24. El consumo de cemento proyectado se determinó mediante el uso de un modelo combinado de Gompertz que calcula la curva de crecimiento del stock futuro de material per cápita en función de la vida útil en servicio y los patrones de stock24. La vida útil osciló entre ~31 y 100 años para aplicaciones Res, ~31 a 76 años para NonRes y ~30 a 75 años para aplicaciones CE. En general, se observan vidas útiles más cortas en los países/regiones en desarrollo para las tres aplicaciones. La vida útil en uso se modeló como un valor no determinista, es decir, no todo el cemento queda fuera de servicio cuando se alcanza la vida útil promedio para el país/región en particular y, por lo tanto, el cemento que permanece en uso se modela como una distribución, nuevamente basada en Cao et al.24.

Para capturar los cambios anticipados en las poblaciones, se aplicaron datos de población proyectados de las Perspectivas de Población Mundial de las Naciones Unidas42 utilizando la variante media. Se realizó un análisis de sensibilidad para capturar el impacto de patrones alternativos de crecimiento demográfico entre 2020 y 2100, utilizando la variante de población baja y alta, también de las Perspectivas de Población Mundial de las Naciones Unidas42. Los resultados del análisis de sensibilidad se presentan en la Información complementaria. Los diez países/regiones modelados fueron: (1) América del Norte; (2) América Latina; (3) Europa; (4) Comunidad de Estados Independientes (CEI); (5) China; (6) India; (7) África; (8) Oriente Medio; (9) Asia y Oceanía desarrolladas; y (10) Asia en desarrollo. La demanda de cemento se calculó en función de la entrada para cada aplicación (es decir, Res, NonRes y CE) para cada uno de los países/regiones indicados.

Para examinar los efectos de las diferencias típicas en las emisiones de GEI en función de los componentes del concreto y los métodos de fabricación, se utilizó el mismo conjunto de datos de mezclas de concreto. Para las comparaciones se utilizaron mezclas dentro de ±3 MPa de 20 MPa, 35 MPa y 50 MPa de resistencia a la compresión a los 28 días; las mezclas tenían diferentes proporciones de agua a aglutinante, niveles de reemplazo de SCM y contenidos de agregados para lograr la misma resistencia a los 28 días.

Se realizaron cálculos de emisiones de GEI para producir mezclas de concreto para la producción desde la cuna hasta la puerta. Es decir, estos cálculos incluyeron fuentes de emisiones de GEI desde la adquisición de materias primas hasta la mezcla de componentes, pero sin incluir la colocación u otras emisiones relacionadas con la construcción. Para este trabajo, se supone que los cambios propuestos tendrán un efecto limitado en la construcción, la fase de uso o las emisiones de GEI del concreto al final de su vida útil entre alternativas; por lo tanto, los flujos de GEI que ocurren en las fases del ciclo de vida posteriores a la producción de concreto se modelan como equivalentes entre alternativas y no se incorporan a los cálculos. Las emisiones de cada mezcla se calcularon como un impacto volumétrico, es decir, en términos de kg de emisiones de CO2-eq por m3 de hormigón (kg CO2-eq/m3). Los GEI considerados en este trabajo son CO2, CH4 y N2O, y fueron evaluados en términos de CO2-eq utilizando los potenciales de calentamiento global 100a del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC)43. Los detalles sobre cómo se realizaron las evaluaciones de impacto ambiental y las suposiciones adicionales se presentan en la Información complementaria.

Para evaluar los cambios que podrían alterar las emisiones de GEI durante la producción de concreto desde la cuna hasta la puerta, este trabajo examina las alteraciones tanto en los métodos de fabricación de cemento como en las proporciones de la mezcla de concreto (centrándose en una mayor utilización de SCM). Para los métodos de fabricación, este trabajo se centra en los efectos beneficiosos de las estrategias de mitigación de emisiones de GEI comúnmente discutidas durante la producción de cemento, a saber: aumentar la eficiencia del horno, cambiar los combustibles de los hornos con mayores emisiones por gas natural, cambiar los recursos eléctricos con mayores emisiones por energía eólica y una combinación de estas estrategias.

Además, para abordar la utilización de SCM, la evaluación inicial incluyó los impactos asociados con la inclusión de relleno de piedra caliza (LS), puzolanas naturales (NP), cenizas de esquisto (SA), arcilla calcinada (CC), humo de sílice (SF), cenizas volantes (FA). ) y Escoria de Alto Horno (GGBS) en mezclas de hormigón. Los rangos de impacto ambiental por el uso de un mayor contenido de SCM se basaron en un aumento del contenido promedio de SCM de 2015 (20,3%), según lo informado por la Iniciativa GNR37, al 30% y 50% de contenido de SCM44. Los autores señalan que el suministro de GGBS y FA pueden disminuir en el futuro, pero anticipamos que se puede lograr un desempeño similar mediante la utilización de NP, y aunque la disponibilidad de ciertos NP es regional, se podría usar una amplia gama de materiales puzolánicos (por ejemplo, toba, arcillas calcinadas, materiales agrícolas). subproductos)45,46. Debido a las variaciones en las emisiones de GEI provenientes de la producción de diferentes SCM (consulte la Información complementaria), aquí se modela que el contenido adicional de SCM tiene emisiones equivalentes a las de NP.

Estas estrategias más comúnmente discutidas se pueden comparar con la mitigación posible a partir del diseño estructural para proporcionar contexto sobre la importancia del diseño para el uso eficiente del concreto como método de mitigación. Además, estas modificaciones se utilizaron para evaluar una posible mitigación acumulativa de las emisiones de GEI provenientes de la producción y el uso global de concreto.

Esta fase del estudio examina la influencia de la cantidad de acero de refuerzo y la resistencia a la compresión del hormigón en el diseño de miembros de hormigón en edificios, para determinar su capacidad de contribuir a la mitigación de las emisiones de GEI. Para determinar el efecto de estos factores, este trabajo combina dos modelos de la literatura: (1) las relaciones proporcionales de la mezcla desarrolladas por Fan25 para vincular las emisiones de GEI de la producción de concreto con su resistencia a la compresión y (2) los métodos desarrollados por Kourehpaz26 para vincular el concreto. Resistencia a la compresión y relación de refuerzo ante los impactos ambientales. Para aplicar las relaciones derivadas de Fan25, se derivaron parámetros para los efectos del contenido de aglutinante en relación con las emisiones de GEI y la resistencia a la compresión del concreto (la derivación y los parámetros determinados se presentan en la Información complementaria). El método desarrollado por Kourehpaz26 se basó en elementos de hormigón armado que cumplían con el código de diseño ACI 318 del American Concrete Institute47. En este trabajo, se derivaron relaciones similares para examinar el diseño de columnas reforzadas (altura estándar de 3,5 m) y losas reforzadas (que abarcan 7 m) en el momento de fisuración, fluencia del acero de refuerzo y etapas últimas de acuerdo con miembros equivalentes basados ​​en el Eurocódigo 248 y la India. Código estándar49. Las losas están diseñadas para doblarse y, si bien otros aspectos del diseño estructural, como el corte, pueden afectar las emisiones de GEI, están fuera del alcance de este análisis. Las ecuaciones se desarrollaron para permitir que el área de la sección transversal de la columna varíe para una carga axial aplicada fija y que el canto de la losa varíe para una carga uniforme constante, para un rango de resistencias a la compresión y relaciones de refuerzo. En la Información complementaria se presentan más detalles sobre los supuestos realizados y la aplicación. Para abordar las emisiones de GEI del acero de refuerzo, este trabajo supone que el acero utilizado contiene un 80 % de contenido reciclado, con un impacto de 1,03 kg de CO2-eq por kg de acero (basado en 50, que representa el contenido reciclado del acero); sin embargo, los autores señalan que los diferentes métodos de producción de acero (por ejemplo, el uso de un alto horno o un horno de arco eléctrico, diferentes contenidos reciclados y diferentes combinaciones de energía en la fabricación) pueden generar diferentes emisiones de GEI. Para abordar las variaciones en los métodos de fabricación, se realizó un análisis de sensibilidad para examinar el impacto del uso de acero de refuerzo con mayor impacto ambiental. El valor más alto utilizado, 2,29 kg de CO2-eq por kg de acero, se eligió basándose en la ref. 50. En este estudio no se ha considerado la contribución de refuerzos distintos del acero longitudinal, como estribos, malla o refuerzo de corte, por razones de simplicidad.

Para analizar los efectos sobre las emisiones de GEI de la extensión de la vida útil de las estructuras de hormigón y del mortero utilizados, se evaluaron varios factores simultáneamente. Este trabajo utiliza el modelo desarrollado por Cao et al.24. para estimar las existencias de cemento en uso, y escala estas existencias para estimar la demanda de materiales a base de cemento con base en los modelos analizados en profundidad en la Información complementaria. Nuevamente, este modelo clasifica la demanda de cemento en tres aplicaciones diferentes (Edificios (que incluyen Res y NonRes) y CE). Los índices de uso en cada uno de estos sectores y la longevidad del servicio se basaron en datos recopilados por Cao et al.24, donde el modelado de la vida útil se basa en un análisis estadístico de la longevidad de los sistemas concretos en los 10 países/regiones aquí mencionados. , que representan acumulativamente el mundo.

Se analizó el papel de la selección de mezclas y el diseño estructural en la longevidad de los sistemas de concreto alterando los horizontes temporales de existencias modelados para cada aplicación de concreto. Un beneficio adicional es que los hormigones con cementos mezclados generalmente tienen una resistividad mucho mayor que los hormigones Portland simples, lo que permite controlar y gestionar mejor la posible corrosión del acero durante la fase de corrosión activa, extendiendo así aún más la vida útil30,31,51. La selección del aglomerante es crítica para extender la vida útil del concreto. Tomando los cloruros como caso ilustrativo de durabilidad: la vida útil esperada libre de corrosión de una estructura de concreto con una cubierta de acero de 40 mm en un ambiente marino típico, utilizando diferentes tipos de aglutinantes (cemento Portland simple; cemento Portland con mezclas de 30% FA, o 50% GGBS), a continuación30,31. Con base en el umbral crítico de cloruros generalmente aceptado de 0,4% de cloruros por masa de aglutinante en el acero como umbral de inicio de la corrosión, se puede esperar una vida libre de corrosión diferente para diferentes sistemas aglutinantes: <5 años para OPC, ~25 años para FA, y ~50 años para GGBS. El problema aquí se simplifica, pero ilustra la posibilidad de prolongar sustancialmente la vida útil mediante una elección juiciosa de los materiales del hormigón, conservando al mismo tiempo todas las propiedades mecánicas y físicas necesarias del hormigón. Si bien el uso de SCM puede aumentar la capacidad de carbonatación de una estructura de concreto52, esto no necesariamente se traduce en una mayor susceptibilidad a la corrosión, como se indica en la Información complementaria.

Este trabajo considera que la vida útil media para cada una de las tres categorías de aplicaciones aumentó, como resultado de una mayor durabilidad, tres y cuatro veces (ver información complementaria) para edificios e infraestructura, respectivamente, considerando varios escenarios de extensión de la vida útil basados ​​en sobre el uso del cemento. Para estimar el efecto potencial que el reemplazo del cemento y una vida útil más larga podrían haber tenido retrospectivamente, se modeló un escenario ideal, donde se asumió que todos los países/regiones tendrían acceso al 50% de SCM y, como resultado, la vida útil puede aumentar cuatro veces. También se modeló un escenario más realista, en el que se suponía que sólo ciertas partes del mundo (50%) tendrán acceso a SCM para reemplazar hasta el 50% del cemento en el hormigón. Para este escenario también se supuso que el acceso a los SCM habría aumentado desde 1931 y, por lo tanto, se modeló una extensión de la vida útil de cuatro y tres veces para datos históricos y proyectados. Los resultados del análisis de sensibilidad basado en estos escenarios se resumen en la Información complementaria. La vida útil se modeló como una distribución y, por lo tanto, todo el cemento en uso no se retiró de servicio al mismo tiempo para reflejar el tiempo efectivo de uso de los edificios y la infraestructura. Esta extensión de la vida se basó en hallazgos empíricos sobre la influencia del uso de FA y GGBS para impedir la corrosión del refuerzo de acero en las regiones costeras y el aumento asociado en la vida útil de las estructuras de concreto30,31. Se supuso que este nivel de mayor longevidad se alcanzaría con un contenido de SCM del 30 o 50%. Las emisiones de GEI derivadas de la producción de estos SCM se modelaron aquí como emisiones de GEI equivalentes a las de las puzolanas naturales. Debido a los mayores niveles de SCM utilizados en los últimos años en la producción de cemento y hormigón, es decir, se ha informado de un aumento de ~10% en su uso en los últimos 30 años53, se consideró que el uso prolongado comenzaría con estructuras actualmente en stock para uno de los escenarios idealizados; sin embargo, para la línea de base considerada en el manuscrito, solo se considera que las existencias futuras (2015-2100) tienen una vida útil prolongada. Se supuso además que el aumento de la vida útil contribuiría a la utilización eficiente de los recursos y, por tanto, disminuiría la demanda de cemento nuevo.

En esta etapa de evaluación, se consideró el potencial de mitigación de cada estrategia. En este componente del análisis, el potencial de mitigación del uso de mejoras en la fabricación (por ejemplo, mayor eficiencia del horno), niveles más bajos de clinker por metro cúbico de concreto logrados mediante el uso de SCM, resistencia a la compresión del concreto deseada y relación de refuerzo para los sistemas de infraestructura, y El aumento de la longevidad debido al uso de SCM se examinó de forma acumulativa. Para evaluar la influencia de la resistencia a la compresión y la relación de refuerzo en las emisiones de GEI a escala global, se calcularon las diferencias en las emisiones en función de las resistencias, el contenido de SCM y los métodos de fabricación que darían como resultado menores emisiones de GEI en relación con el promedio global en el año 2015. y proporciones de refuerzo que darían como resultado menores emisiones de GEI en relación con la media de las proporciones de refuerzo.

Para escalar los diseños de miembros a los sistemas de infraestructura global, se adoptaron dos enfoques principales. El hormigón utilizado en infraestructura civil no se consideró en este documento para mejoras a miembros reforzados, ya que dicho hormigón puede variar desde usos reforzados hasta usos sustanciales como hormigón no reforzado o nominalmente reforzado (por ejemplo, presas, pavimentos, aplicaciones de hormigón en masa, etc.); por lo tanto, modelamos estas aplicaciones para que no estén reforzadas como los edificios54. Para los edificios, los diseños de los miembros se ampliaron para reflejar estructuras de concreto basándose en un método propuesto por Schmidt et al.55, es decir, los requisitos de los miembros en términos de resistencia y área de sección transversal estaban relacionados con el volumen relativo de los miembros horizontales (p. ej., planos). losas) y miembros verticales (por ejemplo, columnas), así como el grado de carga relacionado con la altura de la estructura. Aquí se aplicó un enfoque simplificado en el que tanto los edificios NonRes como los Res se modelaron con una altura promedio de 3,5 m por piso. Los miembros verticales se modelaron con base en la metodología de diseño de columnas reforzadas y los miembros horizontales se modelaron con base en la metodología de losa diseñada para flexión en la etapa final. Este método permitió evaluar el potencial de mitigación a partir de las proporciones medianas de refuerzo y de la resistencia promedio actual del hormigón utilizado en todo el mundo. En la Información complementaria se presentan más detalles sobre los supuestos realizados y la aplicación. Los autores han puesto a disposición el código para reproducir las figuras del manuscrito.

Los datos de la mezcla de concreto, los datos de diseño y los datos de consumo utilizados en este estudio se pueden encontrar en la Información complementaria.

El código para reproducir las figuras del manuscrito está disponible en https://doi.org/10.25338/B8793W.

Miller, SA, Habert, G., Myers, RJ & Harvey, JT Lograr cero emisiones netas de gases de efecto invernadero en la industria del cemento mediante estrategias de mitigación de la cadena de valor. Una Tierra 4, 1398-1411 (2021).

ADS del artículo Google Scholar

Habert, G. y col. Impactos ambientales y estrategias de descarbonización en la industria del cemento y el hormigón. Nat. Rev. Medio Ambiente Tierra. 1, 559–573 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

División de Población de las Naciones Unidas. Las ciudades del mundo en 2018: folleto de datos. (ONU, 2018). https://doi.org/10.18356/8519891f-en.

Scrivener, KL, John, VM & Gartner, EM Cementos ecoeficientes: posibles soluciones económicamente viables para una industria de materiales a base de cemento con bajas emisiones de CO2. Cem. Concr. Res. 114, 2-26 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Monteiro, PJM, Miller, SA & Horvath, A. Hacia el hormigón sostenible. Nat. Madre. 16, 698–699 (2017).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

IPCC. Calentamiento global de 1,5°C: Informe especial del IPCC sobre los impactos del calentamiento global de 1,5°C por encima de los niveles preindustriales en el contexto del fortalecimiento de la respuesta al cambio climático, el desarrollo sostenible y los esfuerzos para erradicar la pobreza. (Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE. UU., 2018). https://doi.org/10.1017/9781009157940.

Davis, SJ y cols. Sistemas energéticos de cero emisiones netas. Ciencia 360, eaas9793 (2018).

Artículo PubMed Google Scholar

Huntzinger, DN & Eatmon, TD Una evaluación del ciclo de vida de la fabricación de cemento Portland: comparando el proceso tradicional con tecnologías alternativas. J. Limpio. Pinchar. 17, 668–675 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Habert, G., Billard, C., Rossi, P., Chen, C. & Roussel, N. Mejora de la tecnología de producción de cemento en comparación con los objetivos del factor 4. Cem. Concr. Res. 40, 820–826 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Hills, T., Leeson, D., Florin, N. y Fennell, P. Captura de carbono en la industria del cemento: tecnologías, progreso y modernización. Reinar. Ciencia. Tecnología. 50, 368–377 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Provis, JL & Bernal, SA Geopolímeros y materiales relacionados activados con álcalis. Año. Rev. Mater. Res. 44, 299–327 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Schneider, J. Descarbonizar la construcción mediante carbonatación. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 117, 12515 LP–12512517 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Gartner, E. y Sui, T. Clínkers de cemento alternativos. Cem. Concr. Res. 114, 27–39 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Wesseling, JH & Van der Vooren, A. Bloqueo de sistemas de innovación maduros: la transformación hacia el hormigón limpio en los Países Bajos. J. Limpio. Pinchar. 155, 114-124 (2017).

Artículo de Google Scholar

Ioannidou, D., Meylan, G., Sonnemann, G. y Habert, G. ¿Se está volviendo escasa la grava? Evaluación de la criticidad local de los áridos de construcción. Recurso. Conservar. Reciclar. 126, 25-33 (2017).

Artículo de Google Scholar

Allwood, JM El tecnooptimismo poco realista está frenando el progreso en materia de eficiencia de recursos. Nat. Madre. 17, 1050–1051 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

PIR. El peso de las ciudades: necesidades de recursos de la urbanización futura. Swilling, M., Hajer, M., Baynes, T., Bergesen, J., Labbé, F., Musango, JK, Ramaswami, A., Robinson, B., Salat, S., Suh, S., Currie , P. , Fang , A. , Hanson , A. Kruit , K. , Reiner , M. , Smith , S. , Tabory , S. Informe del Panel Internacional de Recursos . (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, Nairobi, Kenia, 2018).

Hertwich, EG y col. Estrategias de eficiencia de materiales para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con edificios, vehículos y productos electrónicos: una revisión. Reinar. Res. Letón. 14, 043004 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Dunant, CF, Drewniok, MP, Orr, JJ y Allwood, JM. Las buenas decisiones de diseño en las primeras etapas pueden reducir a la mitad el CO2 incorporado y reducir el costo de los marcos estructurales. Estructuras 33, 343–354 (2021).

Artículo de Google Scholar

Eleftheriadis, S., Duffour, P. y Mumovic, D. Evaluación de carbono del ciclo de vida integrado en BIM de edificios RC utilizando alternativas de diseño estructural optimizadas. Construcción de energía. 173, 587–600 (2018).

Artículo de Google Scholar

Reis, DC, Abrão, PCRA, Sui, T. & John, VM Influencia de la clase de resistencia del cemento en el impacto ambiental del hormigón. Recurso. Conservar. Reciclar. 163, 105075 (2020).

Artículo de Google Scholar

Marsh, ATM, Velenturf, APM & Bernal, SA Estrategias concretas de Economía Circular: implementación e integración. J. Limpio. Pinchar. 362, 132486 (2022).

Artículo de Google Scholar

Guggemos, A. & Horvath, A. Comparación de los efectos ambientales de los edificios con estructura de acero y hormigón. J. Infraestructura. Sistema. 11, 93-101 (2005).

Artículo de Google Scholar

Cao, Z. y col. El efecto esponja y los potenciales de mitigación de las emisiones de carbono del ciclo global del cemento. Nat. Comunitario. 11, 3777 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fan, C. & Miller, SA Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero para la resistencia a la compresión del hormigón prescrita. Construcción Construir. Madre. 167, 918–928 (2018).

Artículo de Google Scholar

Kourehpaz, P. & Miller, SA Índices de diseño ecoeficiente para elementos de hormigón armado. Madre. Estructura. 52, 96 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

AMCC. Concrete Future: The GCCA 2050 Cement and Concrete Industry Roadmap for Net Zero Concrete (Asociación Global de Cemento y Concreto, Londres, Reino Unido, 2021).

Damineli, BL, Kemeid, FM, Aguiar, PS & John, VM Medición de la ecoeficiencia del uso del cemento. Cem. Concr. Compos. 32, 555–562 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Belizario-Silva, F. et al. Influencia de las partes interesadas sobre el potencial de calentamiento global de la estructura de hormigón armado. J. Construir. Ing. 44, 102979 (2021).

Artículo de Google Scholar

Mackechnie, JR & Alexander, MG Exposición del hormigón en diferentes ambientes marinos. J. Mater. Civilización. Ing. 9, 41–44 (1997).

Artículo CAS Google Scholar

Mackechnie, JR y Alexander, MG Un enfoque de diseño racional para estructuras de hormigón marino duraderas. J. Sur de África. Inst. Civilización. Ing. 39, 11-15 (1997).

Google Académico

Santero, Nueva Jersey, Harvey, J. y Horvath, A. Política ambiental para pavimentos de larga duración. Transp. Res. Parte D. Transp. Reinar. 16, 129-136 (2011).

Artículo de Google Scholar

Nath, P., Sarker, PK & Biswas, WK Efecto de las cenizas volantes en la vida útil, la huella de carbono y la energía incorporada del hormigón de alta resistencia en el entorno marino. Construcción de energía. 158, 1694-1702 (2018).

Artículo de Google Scholar

Al-Hamrani, A., Kucukvar, M., Alnahhal, W., Mahdi, E. & Onat, NC Concreto verde para una economía circular: una revisión sobre sostenibilidad, durabilidad y propiedades estructurales. Materiales 14, 33 (2021).

Artículo de Google Scholar

Obrist, MD, Kannan, R., Schmidt, TJ y Kober, T. Vías de descarbonización de la industria cementera suiza hacia emisiones netas cero. J. Limpio. Pinchar. 288, 125413 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

California, Senado. SB-596 Gases de efecto invernadero: sector cementero: estrategia de emisiones netas cero. https://leginfo.legislature.ca.gov/faces/billNavClient.xhtml?bill_id=202120220SB596 (2021).

GNR. Base de datos global de cemento sobre información sobre CO2 y energía (Global Cement and Concrete Association, Londres, Reino Unido, 2016).

AMCC. GNR – AMCC en números. Asociación Global de Cemento y Concreto (Asociación Global de Cemento y Concreto, Londres, Reino Unido, 2020).

AIE. Datos y Estadísticas. Agencia Internacional de Energía. Consultado el 17 de marzo de 2020 https://www.iea.org/data-and-statistics?country=WORLD&fuel=Electricityandheat&indicator=Electricitygenerationbysource (2020).

ASTM. ASTM C270 − 19a1: Especificación estándar para mortero para mampostería unitaria (ASTM International, 2019).

Xi, F. y col. Absorción global sustancial de carbono por la carbonatación del cemento. Nat. Geociencias. 9, 880–883 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

PNUD. Perspectivas de la población mundial 2019, edición en línea. Rev. 1 (Naciones Unidas, Departamento de Asuntos Económicos y Sociales, División de Población, 2019).

Gómez, DR et al. Directrices del IPCC de 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero: Capítulo 2: Energía: Combustión estacionaria (Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, 2007).

Agencia Internacional de Energía (AIE). Transición baja en carbono en la industria del cemento. Tecnología AIE. Hojas de ruta https://doi.org/10.1787/9789264300248-en (2018).

Scrivener, K., Martirena, F., Bishnoi, S. & Maity, S. Cementos de piedra caliza arcillosa calcinada (LC3). Cem. Concr. Res. 114, 49–56 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Shah, IH, Miller, SA, Jiang, D. & Myers, RJ La sustitución del cemento por materiales secundarios puede reducir las emisiones globales anuales de CO2 hasta en 1,3 gigatoneladas. Nat. Comunitario. 13, 1-11 (2022).

Artículo de Google Scholar

ACI. 318-11. Requisitos del código de construcción para hormigón estructural (American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, EE. UU., 2011).

CEN. Eurocódigo 2: Diseño de estructuras de hormigón - Parte 1-1: Normas y reglas generales para la edificación (EN 1992-1-1 (2004)) (Comité Europeo de Normalización, Bruselas, Bélgica, 2004).

ICS. IS 456 (2000): Hormigón simple y armado - Código de prácticas (Oficina de Normas de la India, Nueva Delhi, India, 2007).

Comisión Europea. Centro Común de Investigación. consultado el 1 de abril de 2018,

Grazia, MT De, Deda, H. & Sanchez, LFM La influencia del tipo de aglomerante y la naturaleza del agregado en la resistividad eléctrica del concreto convencional. J. Construir. Ing. 43, 102540 (2021).

Artículo de Google Scholar

Shi, Z. y col. Estudios experimentales y modelización termodinámica de la carbonatación de morteros de cemento Portland, metacaolín y caliza. Cem. Concr. Res. 88, 60–72 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

AMCC. Proyecto Getting the Numbers Right: Emissions Report 2019 (Asociación Global de Cemento y Concreto, Londres, Reino Unido, 2019).

Kapur, A., Keoleian, G., Kendall, A. y Kesler, SE Modelado dinámico de existencias de cemento en uso en los Estados Unidos. J. Ind. Ecología. 12, 539–556 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Schmidt, W., Anniser, J. & Manful, K. Un punto de vista de la sostenibilidad sobre el crecimiento urbano horizontal y vertical. en ISEE África: Educación en ingeniería, ciencias de la innovación (ed. Schmidt, W.) 189–193 (Instituto Federal de Investigación y Pruebas de Materiales (BAM), 2019).

Greene, C.. Borders (Universidad de Texas en el Instituto de Geofísica de Austin (UTIG), Austin, TX, 2015).

Comisión Europea. Uso de eurocódigos EN fuera de UE-AELC. En Eurocódigos: Construyendo el futuro (Comisión Europea, 2021).

CIO África. Por qué los ingenieros de Kenia deben adoptar eurocódigos para estructuras de ingeniería (CIO África, 2021).

Awad, KW News Detail: ACI y Asia (American Concrete Institute, 2017).

ACI. Listado de capítulos (American Concrete Institute, 2022).

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SM reconoce la financiación proporcionada por el Centro Nacional para el Transporte Sostenible y el Departamento de Transporte de California (65A0686/TO 027, SM) y la Fundación Nacional de Ciencias (CBET 2143981, SM). SM y JO reconocen la financiación en forma de donación de la Fundación ClimateWorks (fondos de donación, SM). Este trabajo representa las opiniones de los autores, no necesariamente las de los financiadores.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de California, Davis, Davis, CA, EE. UU.

Josefine A. Olsson y Sabbie A. Miller

Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Ciudad del Cabo, Ciudad del Cabo, Sudáfrica

Marcos G. Alejandro

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SM desarrolló el enfoque metodológico. JO recopiló los datos y evaluó los resultados. JO, MA y SM escribieron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Sabbie A. Miller.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Un archivo de revisión por pares está disponible.

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Reimpresiones y permisos

Olsson, JA, Miller, SA y Alexander, MG Vías a corto plazo para descarbonizar la producción mundial de hormigón. Nat Comuna 14, 4574 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40302-0

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Recibido: 27 de enero de 2023

Aceptado: 21 de julio de 2023

Publicado: 29 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40302-0

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