El hormigón es una masa fluida que, de forma asombrosa, fragua y endurece en horas incluso bajo el agua. Esta roca fabricada, que se compone de cemento, agua, arena y grava, es el componente básico de nuestra civilización. De ahí que no sorprenda que sea el producto más manufacturado en el mundo.

La enorme producción de cemento Portland (CP), 4.000 millones de toneladas/año, genera 2.700 millones de toneladas anuales de emisiones de CO2. Si la producción de cemento se considerara un país, sería el tercer emisor de CO2 del mundo, sólo por detrás de China y Estados Unidos. Por lo tanto, reducir la huella de CO2 del cemento, del mortero y del hormigón es una necesidad social.

El principal inconveniente de las propuestas actuales de cementos bajos en carbono es su cinética lenta de hidratación en los tres primeros días. "Comprender los procesos relacionados con la hidratación del cemento en sus primeras etapas es crucial", explica Shiva Shirani, primera autora del trabajo y estudiante de Doctorado de la Universidad de Málaga. A pesar de un siglo de investigación, nuestra comprensión de los procesos de disolución y precipitación del cemento a edades tempranas es muy limitada. "Por eso hemos desarrollado una metodología para obtener una imagen completa de la hidratación del cemento Portland", añade Shiva.

El equipo, liderado por la Universidad de Málaga y en el que participan el Instituto Paul Scherrer-PSI (Suiza), el sincrotrón europeo-ESRF y la Universidad Grenoble Alpes (Francia), realizó un estudio tomográfico de laboratorio para una caracterización inicial, seguido de experimentos de microtomografía de contraste de fase con radiación sincrotrón para tomar datos muy rápidamente y en grandes volúmenes de muestra, y finalmente experimentos a escala nanométrica, mediante pticotomografía sincrotrón.

Combinación de técnicas
Los científicos combinaron técnicas experimentales complementarias en el ESRF y el Swiss Light Source (SLS) del PSI para obtener datos espaciales y temporales (4D). Los experimentos en la línea de luz ID19 del ESRF permitieron al equipo seguir un volumen grande de una pasta de CP durante la hidratación con una resolución temporal de cinco minutos, obteniendo grados de hidratación muy exactos en función del tamaño de las partículas y del tiempo. También se tomaron datos 4D en la línea de luz cSAXS del SLS, con mayor resolución espacial y contraste, pero en un volumen 640 veces menor y necesitando 180 minutos por conjunto de datos.

La pticotomografía de campo cercano desveló detalles microscópicos de la hidratación de un CP comercial. La velocidad de disolución espacial de los granos pequeños de alita, el principal componente del CP, durante el primer día, es de 100 nm/h, siendo cuatro veces más rápida que la de los granos grandes de alita en los tres días siguientes, 25 nm/h. Además, a las 19 horas, una cubierta porosa de gel de silicato cálcico hidratado, con un espesor de 500 nm, cubre cada grano de alita dejando un hueco relleno de agua.

Miguel Ángel García Aranda, catedrático de la Universidad de Málaga y coordinador de este trabajo, destaca que "este estudio es el primer paso para una visualización detallada de la hidratación del cemento a estas edades. Es de esperar que la comprensión del mecanismo de los procesos más lentos conduzca a estrategias para acelerar racionalmente la hidratación de los cementos de bajo contenido en carbono. Esto permitiría diseñar aditivos más rápidos para aumentar las resistencias mecánicas, que son necesarios para desencofrar a tiempo".

Referencia bibliográfica:
Shirani, S.; Cuesta, A.; Morales-Cantero, A.; Santacruz, I.; Diaz, A.; Trtik, P.; Holler, M.; Rack, A.; Lukic, B.; Brun, E.; Salcedo, I.R.; Aranda, M.A.G. “4D nanoimaging of early age cement hydration” Nature Communications. 2023; 14, 2652. DOI: 10.1038/s41467-023-38380-1.