Investigación de los cambios microestructurales inducidos por la carbonatación en hormigón de bajo contenido de cemento usando aglutinantes sostenibles: HBA y carbonato de calcio

Hormigón más resistente con una huella de carbono menor

El hormigón sostiene discretamente casi todos los edificios, carreteras y puentes modernos, pero la fabricación de su ingrediente clave, el cemento, emite grandes cantidades de dióxido de carbono. Este estudio explora cómo un mineral común, el carbonato de calcio, junto con un subproducto industrial llamado escoria de alto horno molida (HBA), puede sustituir una parte significativa del cemento mientras sigue produciendo hormigón fuerte y duradero. El trabajo muestra cómo cambios sencillos a escala de polvo dentro de la mezcla pueden reducir las emisiones e incluso mejorar el rendimiento.

Por qué replantear lo que lleva el hormigón

La producción de cemento es responsable de una parte notable de las emisiones de carbono provocadas por el ser humano, porque requiere calentar la piedra caliza a temperaturas muy altas. Al mismo tiempo, el apetito mundial por el hormigón sigue creciendo. Los investigadores se propusieron comprobar si podían sustituir gran parte del cemento por materiales más sostenibles sin sacrificar la resistencia o la durabilidad. Se centraron en dos ingredientes: la escoria de la producción de acero, ya conocida por funcionar bien en hormigón, y polvo de carbonato de calcio finamente molido, un mineral ampliamente disponible que a menudo se emplea como relleno en otros productos.

Cómo se prepararon y ensayaron las nuevas mezclas de hormigón

El equipo diseñó hormigones en los que solo la mitad del aglomerante era cemento ordinario, mientras que la otra mitad era escoria. A continuación, sustituyeron parte de la escoria por carbonato de calcio en niveles del 5 al 20 por ciento, manteniendo constante el contenido de agua. También fabricaron mezclas de mortero más simples para estudiar el comportamiento de fluidificación y las primeras etapas de fraguado. Las mezclas frescas se evaluaron en trabajabilidad mediante las pruebas estándar de asentamiento y flujo. Las probetas endurecidas se ensayaron durante tres meses para medir la resistencia a compresión, la resistencia a tracción por división y a flexión, y la profundidad de carbonatación, vinculada a la protección del acero en su interior. Herramientas no destructivas como la velocidad de pulso ultrasónico y las pruebas con martillo de rebote evaluaron la calidad interna y la dureza superficial, y microscopios y ensayos eléctricos revelaron lo que ocurría en los poros del material.

Qué ocurre dentro de la estructura microscópica

Las imágenes microscópicas mostraron que las diminutas partículas de carbonato de calcio se acomodan en los huecos entre los granos de cemento y escoria, actuando como piedras a escala micro que compactan más la mezcla. Este empaquetamiento más denso reduce los espacios vacíos y dificulta el paso de agua y gases a través del hormigón. Bajo una exposición controlada al dióxido de carbono, algunos de los productos de reacción en el hormigón se transforman gradualmente en cristales adicionales de carbonato de calcio. Estos nuevos cristales ayudan a sellar poros y microfisuras, densificando aún más el material. Las pruebas de impedancia eléctrica, que siguen la facilidad con que los iones se desplazan por el hormigón, confirmaron que las mezclas con carbonato de calcio desarrollaron con el tiempo una red de poros más fina y menos conectada.

Cómo se mejoraron la resistencia y la durabilidad

Los resultados mostraron un claro punto óptimo. Cuando el 15 por ciento de la porción de escoria se sustituyó por carbonato de calcio, el hormigón alcanzó el mejor rendimiento global. Tras 90 días, esta mezcla logró una resistencia a compresión superior a 70 megapascales, junto con mayor resistencia a la rotura por cortante y a la flexión que la mezcla estándar sin carbonato de calcio. También presentó una menor profundidad de carbonatación, mayor velocidad de pulso y valores de rebote más altos, todos indicios de una estructura interna más densa y mejor cohesionada. En niveles de sustitución más elevados, la trabajabilidad disminuyó y las partículas muy finas empezaron a aglomerarse, reduciendo ligeramente la resistencia y compensando las ganancias derivadas del empaquetamiento más denso.

Qué significa esto para la construcción futura

Para un público general, la conclusión es que una adición moderada de carbonato de calcio finamente molido, combinada con escoria, puede hacer el hormigón a la vez más ecológico y más resistente. Al reemplazar parte del cemento por estos materiales, los constructores pueden reducir el coste en carbono de la construcción mientras obtienen estructuras más fuertes y duraderas. El estudio sugiere que alrededor del 15 por ciento de carbonato de calcio en esta receta de bajo cemento ofrece un equilibrio práctico entre resistencia, durabilidad y sostenibilidad, apuntando hacia un hormigón de uso cotidiano más amable con el planeta sin renunciar al rendimiento.

Cita: Kumar, B.N., Neelamegam, P., Sai, A.P.D. et al. Investigation of carbonation-induced microstructural changes in low-cement concrete using sustainable binders: GGBS and calcium carbonate. Sci Rep 16, 14847 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45725-5

Palabras clave: hormigón bajo en carbono, carbonato de calcio, HBA, microestructura, carbonatación