Uso de cementos fotocatalíticos para vías urbanas con altos volúmenes de tránsito

Uso de cementos fotocatalíticos para vías urbanas con altos volúmenes de tránsito

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 61)
Gian L. Guerrini;  i.lab-HeidelbergCement Group – Global Product Innovation, www.i-nova.net
Raúl Crespo y Rafael Jurado; FYM-HeidelbergCement Group

Entre las diferentes soluciones fotocatalíticas disponibles en el mercado, los cementos i.active® son productos de construcción con propiedades fotocatalíticas capaces de convertir una carretera en un elemento activo contra la contaminación del aire.

Uno de los objetivos principales de su uso es reducir la contaminación y mejorar así la calidad del aire en entornos urbanos. Otra ventaja de su uso para el medioambiente es su capacidad para mitigar los efectos de la acumulación de calor en las zonas urbanas. Son las materias primas más utilizadas, actualmente, para la fabricación de productos de construcción con un valor añadido de sostenibilidad y durabilidad.

A la fecha de hoy, los cementos i.active® se pueden adquirir en cualquier parte del mundo. Con ellos ya se han construido varios millones de metros cuadrados de superficies, basadas en cemento fotocatalítico y se espera que este número crezca significativamente en los próximos años. 

En este sentido, las carreteras y los pavimentos cementosos fotocatalíticos son la aplicación más utilizada para mejorar la calidad del aire en entornos urbanos. Se pueden adquirir en cualquier parte del mundo. 

Este documento ofrece una visión general sobre las diversas características del producto con el propósito de ayudar a los proyectistas a seleccionar y diseñar superficies pavimentadas más sostenibles y duraderas. Estas superficies constituyen normalmente entre el 30 % y el 60 % de las áreas urbanas desarrolladas.

1.Introducción

La contaminación del aire es un problema grave derivado del uso del automóvil. Los contaminantes tóxicos (el NOx, los compuestos orgánicos volátiles, el amoniaco y otros hidrocarburos) son perjudiciales para el medioambiente, además de peligrosos para la salud humana y difíciles de degradar de manera natural.

A modo de ejemplo, un reciente estudio publicado por los laboratorios de la NASA muestra una concentración elevada de NO2, de manera constante, en varias zonas de nuestro planeta (sobre todo en Europa, la costa este de EE. UU. y China), que se concentra especialmente en las grandes áreas urbanas (ver figura 1).

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Figura 1: Concentración de NO2 – Estado global en el año 2014 (NASA) [1]

A la vista de estos datos y especialmente en la última década, se han llevado a cabo numerosos esfuerzos para reducir la contaminación atmosférica a través de políticas y leyes dirigidas a mejorar la gestión del medioambiente, muy relacionadas con el tráfico, la producción industrial y las fuentes generadoras de calor en los entornos urbanos.

Algunas de las medidas adoptadas se centran en limitar las emisiones industriales y fomentar el uso de un número, cada vez mayor, de vehículos ecológicos (híbridos o eléctricos). Sin embargo, el porcentaje de contaminación proveniente del tráfico sigue siendo relevante, por lo que se hace necesario considerar el uso de determinadas soluciones locales en lo que respecta al suelo. Entre estas soluciones, la aplicación generalizada de pavimentos fotocatalíticos que interactúan directamente con los vehículos parece ser una solución prometedora.

El efecto sinérgico del cemento y el dióxido de titanio, descubierto en los últimos años [25], ha permitido desarrollar y comercializar nuevos pavimentos cementosos capaces de acelerar las reacciones naturales de oxidación [6-9].

En este artículo, se explica el desarrollo de varios tipos de pavimentos cementosos fotocatalíticos para carreteras, tales como adoquines, asfaltos especiales percolados con lechadas fotocatalíticas y carreteras de hormigón. De hecho, también es posible adoptar otras soluciones fotocatalíticas en nuestros entornos urbanos con el fin de contar con la mayor cantidad posible de superficies “activas”, tales como infraestructuras, mobiliario urbano, aceras, rotondas y zonas peatonales de hormigón, entre otras.

En primer lugar, describiremos brevemente los métodos de análisis para la caracterización de estos materiales fotocatalíticos (ensayos de descontaminación de NOx). Estos ensayos son de gran importancia para entender mejor el rendimiento de los materiales según la solución elegida.

Se han llevado a cabo importantes programas, de análisis en laboratorio y sobre el terreno, —por ejemplo los proyectos europeos PICADA [10], PhotoPAQ [11] y LIFE PHOTOSCALING— , con la intención de medir la efectividad medioambiental, mediante la preparación específica y el uso de fuentes in situ respectivamente. Debido a las complejas condiciones ambientales, en ocasiones extremadamente variables de temperatura, humedad relativa, luz solar, velocidad del viento y nivel de contaminación local, no es fácil demostrar, con una campaña de seguimiento al aire libre, lo que puede determinarse, de una manera más precisa, en un ensayo de laboratorio con condiciones controladas.

Durante el desarrollo de una solución específica para una carretera deben tenerse en cuenta: el rendimiento estructural (mecánico con carga de tráfico), determinadas propiedades funcionales (como la rugosidad de la superficie por razones de seguridad) y el rendimiento de durabilidad (en lo relativo a la vida útil del pavimento y desde el punto de vista fotocatalítico). Asimismo, los pavimentos de carreteras deben garantizar tanto su efecto descontaminante como las prestaciones exigidas para una capa de rodadura, de acuerdo con las normas vigentes.

Las investigaciones exhaustivas, realizadas hasta la fecha, han demostrado claramente la importante contribución de este tipo de materiales innovadores a la mejora de la calidad del aire, ya que reducen los niveles de concentración de óxidos de nitrógeno hasta un 60 %, en determinadas condiciones climáticas locales. Estas tecnologías representan un avance más en las investigaciones destinadas al desarrollo de soluciones, respetuosas con el medioambiente, dirigidas a reducir los contaminantes del aire.

En determinadas condiciones urbanas, la reducción de los niveles de NO2 por debajo del límite oficial de emisiones puede ser sumamente eficaz para mejorar la calidad del aire en nuestras ciudades.

Evidentemente, los efectos positivos de la solución fotocatalítica en los entornos urbanos globales están estrechamente relacionados con el uso extendido de pavimentos y construcciones descontaminantes de alto rendimiento: una cantidad limitada de superficie aplicada no modificará los valores globales, pero sí supondrá una mejora considerable de las condiciones locales, es decir, solo en el área de influencia donde se apliquen las superficies activas.

Entre las diferentes soluciones fotocatalíticas disponibles, los materiales a base de cemento basados en la tecnología TX Active® son una tecnología muy eficaz y ampliamente demostrada. En comparación con otros materiales de construcción fotocatalíticos, estos productos especiales interaccionan con el NOx en su superficie y lo transforman en iones inocuos, en forma de sales (nitratos), como se resume en la figura 2. Estas sustancias se pueden eliminar fácilmente de la superficie a través de la lluvia (lixiviación) o mediante lavados.

El uso de TiO2 como fotocatalizador, en combinación con el material cementoso con tecnología TX Active®, es también eficaz para transformar otros contaminantes (hidrocarburos aromáticos, amoniaco y aldehídos), a través de un mecanismo diferente como se observa en [5, 12 – 13].

Por último, se ha demostrado que una consecuencia indirecta de la reducción de NOx es que también se inhibe de forma significativa la producción de ozono en la atmósfera, lo cual supone una ventaja medioambiental más en los períodos más cálidos del año.

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Figura 2: Mecanismo de la degradación fotocatalítica del NOx

Este estudio se centra en la reducción de los niveles de óxido de nitrógeno, la sustancia más nociva, por su alta concentración en el aire de las ciudades, debido a un tráfico cada vez más intenso. El dióxido de nitrógeno (NO2) es el gas que se utiliza como parámetro de referencia para medir las emisiones urbanas, junto con las partículas en suspensión (PM).

En este documento, se describen algunas aplicaciones para vías urbanas en las que la tecnología TX Active podría aplicarse de manera efectiva.

2.Ensayos de laboratorio

La capacidad de descontaminación de los materiales fotocatalíticos se cuantifica mediante un equipo de análisis de NOx, capaz de reproducir condiciones estables de uso en cuanto a concentración de gases, velocidad del flujo de gas, de luz ultravioleta, temperatura y humedad del aire. La mayoría de los ensayos con NOx se realizan en condiciones de flujo continuo y una concentración fija de NOx (por ejemplo en la norma italiana UNI 11247:2010 [14], el contenido de NOx se establece en 0,55 ppm, en la cual 0,15 ppm es de NO2 y 0,4 ppm de NO) en gas nitrógeno, para emular una situación de contaminación atmosférica en un entorno urbano. Según el procedimiento establecido por la norma UNI 11247, el resultado del ensayo se expresa como el porcentaje de descomposición fotocatalítica de NOx de una muestra que se encuentra sometida a un nivel de radiación ultravioleta preestablecido. También se puede obtener la velocidad de degradación (disminución de NOx por unidad de superficie y unidad de tiempo).

Por otra parte, se publicará próximamente la especificación técnica (CEN/TS 00386023 [15]) en el marco del comité europeo de normalización CEN TC 386 sobre fotocatálisis. Tras la reciente publicación de la norma italiana 11484:2013 [17], es posible utilizar esta prueba, basada en el concepto de la teoría [16] del reactor RCTA o reactor continuo de tanque agitado (figura 3), para evaluar cualquier material fotocatalítico, incluidos los productos con base de cemento, capas asfálticas, pinturas, membranas bituminosas y cerámicas industriales. El Comité Europeo de Normalización (CEN) continúa realizando, con la participación de varios laboratorios europeos, algunos ensayos para verificar la reproducibilidad y repetibilidad de este método. Este enfoque de las pruebas permite determinar la tasa de degradación conseguida por el material fotocatalítico.

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Figura 3: Reactor continúo de tanque agitado para el ensayo de descontaminación de NOx: vista desde arriba (izquierda) y vista lateral (derecha)

El uso de pavimentos, a base de cemento fotocatalítico, permite alcanzar tasas de abatimiento o degradación de NOx del orden de 10 a 30 g NOx/año/m2, por lo que nos es posible calcular un promedio de eliminación de NOx de entre 100-300 kg de NOx/año para una superficie activa de 10000 m2, es decir, una superficie equivalente a una carretera de 2 carriles de 5 m x 2000 m. Si consideramos los valores de referencia de las emisiones de NOx de los coches de gasolina Euro 5 y Euro 6 (0,06 g/km), cuya distancia media anual es de unos 12000 km, la contaminación de NOx que se consigue eliminar equivale a la que producen 416 coches en un año.

3.Pruebas de campo

Los productos cementosos fotocatalíticos llevan años utilizándose extensamente en aplicaciones de construcción de todo el mundo a fin de obtener prestaciones de descontaminación y autolimpieza [3, 5, 7, 10].

Los materiales que se aplican para la descontaminación han sido desarrollados y validados previamente en laboratorio. Sin embargo, para las primeras aplicaciones de campo, fue necesario demostrar el rendimiento, in situ, mediante la adopción de protocolos de pruebas experimentales y el uso de equipos de análisis específicos. Uno de los primeros ejemplos significativos fue el proyecto europeo PICADA (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment), donde se llevó a cabo una actividad experimental con el fin de validar el proceso fotocatalítico en una calle de tipo “cañón” y así evaluar los efectos reales de una fachada recubierta con un revestimiento fotocatalítico [10]. En este proyecto, se pudo demostrar el efecto de los materiales fotocatalíticos sobre la calidad del aire gracias a la correlación entre los resultados in situ y el modelo desarrollado [18].

Tras los prometedores resultados de laboratorio, se evaluó a gran escala la eficacia de las superficies fotocatalíticas, demostrándose la capacidad del hormigón fotocatalítico para reducir el contenido de NO y NO2 en el aire.

Después del proyecto PICADA, se pusieron en marcha otras campañas de seguimiento in situ, en proyectos experimentales, con resultados positivos como:

  • La calle Borgo Palazzo, en Bérgamo (Italia): una vía urbana construida con adoquines [6, 19]
  • Rue Jean Bleuzen en Vanves, París (Francia): carretera urbana de hormigón compactado con rodillos [20]
  • El túnel de la calle Umberto I en la ciudad de Roma (Italia): bóveda recubierta con pintura fotocatalítica y sistema específico de iluminación ultravioleta para su activación [21].

Las superficies fotocatalíticas fabricadas con materiales con base de cemento se estiman en varios millones de metros cuadrados. Las aplicaciones horizontales de superficie (adoquines, pavimentos industriales, whitetopping, etc.) constituyen aproximadamente el 50 % del total. La mayoría de los proyectos se han desarrollado en Europa, especialmente en Italia, Francia, Bélgica, Alemania, España y Grecia.

En otros proyectos piloto también se han realizado seguimientos de la eficacia de las superficies fotocatalíticas en condiciones reales (por ejemplo en el marco de proyecto Life+ PhotoPAQ [11]), aunque los resultados no son realmente positivos por la complejidad de las mediciones, debido a la influencia de las condiciones atmosféricas locales y la cantidad limitada de los datos recogidos, insuficientes para crear una evaluación estadística aceptable (según los ensayos de laboratorio, el material aplicado era activo).

4.Materiales cementosos fotocatalíticos innovadores para vías urbanas

En la actualidad existen varias soluciones para la construcción de carreteras y pavimentos fotocatalíticos mediante el uso de materiales con base de cemento (figura 4):

  1. Adoquines entrelazados para carreteras, aparcamientos, zonas comerciales, aceras, cruces, zonas de reducción de velocidad y rutas de bicicleta
  2. Pavimentos prefabricados o premezclados
  3. Asfaltos porosos con lechadas percolantes
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Figura 4: Soluciones fotocatalíticas para carreteras y pavimentos

Los adoquines siempre han tenido una amplia variedad de aplicaciones, ya que representan una solución adecuada y económica, gracias a su proceso de fabricación (dos capas donde la superior es fotocatalítica). Además, constituyen una solución apreciada por su estética para aplicaciones urbanas (calles, calzadas, aparcamientos, aceras, rotondas, etc.) y otros usos similares (losas, placas y bordillos) [7, 8, 20].

El coste material de esta solución es más alto que con elementos más convencionales, pero su incidencia en el coste total de la construcción del pavimento es sólo ligeramente superior (del 3 al 4 %) al de un adoquinado con hormigón convencional.

Por otro lado, también se han estudiado y aplicado pavimentos de hormigón in situ con el fin de optimizar el rendimiento estructural, las necesidades urbanas y las propiedades fotocatalíticas en busca de la proporción ideal coste/rendimiento.

La calle Jean Bleuzen, en París-Porte de Vanves (Francia), es uno de los primeros proyectos de demostración [20] donde se adoptó la tecnología de pavimentación de una capa (encofrado).

Otro importante proyecto de demostración se llevó a cabo en St. Louis (EE. UU.). En el contexto de una exhibición nacional patrocinada por la FHWA (Administración Federal de Autopistas) y MoDOT (Departamento de Transporte de Missouri) [22]. En aquella ocasión, se usó un equipo especial para extender una capa de hormigón fotocatalítico fresco (de alrededor de 12 cm de grosor) sobre una capa de hormigón tradicional, con un espesor total de aproximadamente 30 cm.

También se han realizado otros trabajos de pavimentos de hormigón fotocatalítico en Italia. Sin embargo, el número total de solicitudes ha sido limitado debido al elevado espesor del hormigón fotocatalítico y los correspondientes costes de construcción.

Desde el punto de vista de las soluciones rentables, en ocasiones se ha adoptado la tecnología de recubrimiento de hormigón con una capa ultradelgada, lo cual garantiza igualmente el rendimiento fotocatalítico. Esta tecnología consiste en la aplicación de una capa superior muy delgada (desde 2-3 mm hasta 10-15 mm) sobre un pavimento de hormigón tradicional (aplicación fresco sobre fresco). La principal característica de esta capa son sus propiedades fotocatalíticas y de resistencia a la abrasión.

El hormigón drenante es una solución ecológica prometedora. Su composición debe incorporar la mezcla correcta de áridos que permita drenar el agua de lluvia de forma continua. Desde el punto de vista de la fotocatálisis, esta solución ofrece superficies específicas con la correspondiente alta capacidad de descontaminación. Por contra, el hormigón drenante ofrece una resistencia a la compresión inferior a la del hormigón convencional con el mismo contenido cementicio, por lo que su uso puede verse limitado a aceras, aparcamientos, zonas peatonales y otras aplicaciones especiales de pavimentos.

4.1.Pavimentos percolados con lechada cementosa

La combinación de un asfalto poroso de textura abierta con una lechada de cemento fotocatalítico permite obtener pavimentos de carreteras de altas prestaciones (figura 5).

Esta tecnología, híbrida, que incluye el uso de dos materiales ligantes diferentes (cemento y betún) permite construir un pavimento de hormigón especial (sin juntas), con un rendimiento estructural mejorado: desde una alta resistencia a impactos, en el caso de pavimentos industriales, hasta un prestación semiflexible para carreteras (figuras 5 y 6).

Primero se prepara la lechada fotocatalítica mezclando un conglomerante fotocatalítico en forma de polvo (i.active CARGO®) con agua y, a continuación, se aplica sobre el asfalto poroso para obtener el pavimento compuesto esperado [23] (figura 6).

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Figura 5: Asfalto de textura abierta (izquierda) y un ejemplo del pavimento obtenido (derecha)

Gracias a su rendimiento reológico (alta fluidez), esta lechada de cemento puede filtrarse a través de pavimentos de asfalto muy porosos. Como resultado, la lechada llena los vacíos y forma una estructura monolítica capaz de soportar cargas pesadas tanto en condiciones estáticas como dinámicas (al añadir mayor durabilidad física y química a su alta resistencia estructural).

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Figura 6: Aportación de la lechada fotocatalitica (izquierda) y percolación en el asfalto (derecha)

Las fases principales para la construcción correcta de un pavimento son las siguientes:

  • Generación del asfalto poroso para la infiltración de la lechada fotocatalítica
    • Fresado preliminar del antiguo pavimento, si es necesario
    • Aplicación de la capa base (asfalto), si no existe
    • Aplicación de una imprimación bituminosa, si el sustrato existente no está en buenas condiciones
    • Aplicación del asfalto poroso (capa de rodadura de 4 a 5 cm)
  • Preparación y aplicación de i.active CARGO y otras operaciones
    • Preparación de la lechada fotocatalítica i.active CARGO® (mezcla con agua y colorante si se desea)
    • Percolación completa (infiltración) en el asfalto poroso
    • Curado
    • Tratamiento de acabado de la superficie (opcional): granallado, abujardado o similar

El tratamiento posterior puede ser necesario si se desea obtener un acabado con una rugosidad de superficie determinada (valores de deslizamiento prescritos) o únicamente para obtener un color más homogéneo.

Esta solución es especialmente adecuada para grandes densidades de tráfico y se puede aplicar en el entorno urbano, donde la contaminación es un gran problema, por lo que puede contribuir de forma activa a la mejora de la calidad del aire.

Además, la superficie de la carretera resulta más resistente a las altas temperaturas que las soluciones de asfalto tradicionales (climas cálidos, gases de escape, …) y contribuye a mejorar la seguridad, ya que no experimenta los tradicionales fenómenos de deformación por el calor. Su resistencia al fuego también es alta.

Otro aspecto positivo que hay que destacar de esta tecnología es que acelera el proceso de construcción frente a la utilización de hormigón convencional:

  • Con una preparación adecuada de la zona de construcción, es posible completar entre 2.500 y 3.000 metros cuadrados en 8 horas de trabajo.
  • Por otro lado, la carretera puede abrirse al tráfico entre 24 y 36 horas después, en lugar de los “habituales” 28 días necesarios. Esto puede ser importante en el caso de obras urbanas, ya que este ahorro de tiempo se refleja en un ahorro en costes corrientes.

Por último, gracias a su superficie clara, el uso de i.active CARGO® reduce la temperatura del pavimento en las estaciones cálidas, mejorando así la comodidad de las personas y los vehículos (reducción del efecto de acumulación de calor).

Esta tecnología se ha aplicado recientemente en Italia, Francia, España y Grecia. La figura 7 muestra el trabajo de construcción de un carril bus finalizado recientemente en Málaga (España).

5.Conclusiones

En este documento, se ha ofrecido información básica sobre las distintas soluciones de hormigón fotocatalítico que pueden utilizarse para construir pavimentos sostenibles, resistentes y duraderos.

Los materiales fotocatalíticos para carreteras pueden mejorar la calidad del aire y reducir, significativamente, las concentraciones de contaminantes mediante la presencia beneficiosa de los catalizadores fotocatalíticos adecuados en la matriz de cemento. Otra importante ventaja derivada de la utilización de pavimentos cementosos es la reducción del efecto de acumulación de calor.

Entre las diferentes soluciones existentes en el mercado, el uso de i.active CARGO® parece ser el más adecuado con percolación sobre asfalto poroso para pavimentos semirrígidos con alta densidad de tráfico, aportando además otros valores añadidos (resistencia al calor, ausencia de juntas y aceleración de la construcción).

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Figura 7: Carril de autobuses en la Alameda Principal, en Málaga (España)

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