Materiales alternativos al cemento Pórtland José Iván Escalante García
El concreto es el material material que h a ten ido el mayor uso en la co nstrucción d e ed ifici ificios os e infraestructura en la historia historia de la civi civillización. ización. En pa rticular rticular,, la la de man da d e cemen to Pórtland Pórtland se incrementa incrementa conforme conforme a umen ta la población población mundial. Sin embargo, la industria asociada a la generación de este tipo de cemento involucra altos requerimientos energéticos y una fuerte emisión de contaminantes. En la actualidad no existe un material alternativo ternativo qu e p ueda ser util utilizado izado como material de bajo costo costo en construcci construcciones ones de gran volumen volumen . En el presente artículo artículo se an aliz aliza el uso de d e a lgunos materiales alternativos alternativos que p uede n resolver resolver algunos algunos de e stos problemas problemas y que ade más pue den m ejorar las las propiedad es tecnológic tecnológicas as de construcción construcción d el cemen to Pórtlan Pórtlan d. Desde tiempo s inme inme moriables el hom bre ha e dific dificad ad o construcci construcciones ones p ara resguardo propio o con prop ósitos ósitos sociales o religi religiosos. osos. Los egipcios emp lea ba n lodo d el río río Nilo para sus construcciones; no obstante, las bajas temperaturas qu e po dían lograr sólo sólo les permitían permitían usar materiales de poco valor cementoso sin resistencia a la humedad. Los romanos descubrieron la tecnología de los ma teriales teriales ll llama dos “puzolán “puzolán icos”: icos”: pa ra p rodu cir cir sus cementos mezclaba mezclaba n cal con cenizas cenizas que provenían d e
El Dr. Dr. José Iván Iván Escalante Escalante García García es inve inve stigador stigador titular titular de la Unidad S altill altillo o de l Cinv Cinv estav. Dirección Dirección electrón ica:
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un lugar llam llam ad o Pozzouli. Pozzouli. Mucha Mucha s de las e dificaci dificacion on es de los roman os se manti man tiene ene n toda vía vía en pie, lo lo que qu e refleja refleja el alto nivel nivel de su tecno logía aun p ara n uestros días. En la eda d m edia se perdió tanto la inercia inercia del desarroll desarrollo como mu cho de los conocimientos conocimientos de los roman os y no fue sino hasta el siglo XIX que se trabajó intensamente
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end urecimiento d el cemento se logran mediante la mezcla de éste con el agua. Esto resulta en la formación de produ ctos de hidratación que po seen cualidad es ligan tes y baja solubilidad en agua (las estructuras de cemento pued en subsistir aun bajo el agua ). La reacción química principal se da con el silicato tricálcico y el agua, expresada en la fórmula condensada (C = CaO, S = SiO 2 , H = H2 O)
C3S + H → Cx-S-H + (3-x) CH. El gel C-S-H (sin indicar com posición espe cífica) es el responsab le de las propieda des mecán icas conocidas del cemento; el CH [Ca(OH)2 ] es un subproducto de poco valor cementoso y puede ser el punto de origen de algunas reacciones degenerativas del cemento Pórtland hidratado.
en m uchas investigacione s (predominan temente e mpíricas) en la búsqueda de nuevos materiales para construcción. La patente de lo que hoy conocemos como cemento Pórtland se otorgó a J. Aspdin en 1824 en Inglaterra; sin embargo, la historia involucra otros nombres con tiempos y hechos que apun tan a que Aspdin no fue el único abocado al desarrollo de este tipo de cemento.
¿En que c onsiste la explotac ión del cem ento? El cemen to Pórtland e s el ingrediente ligan te o a dh esivo del concreto. Está compu esto principa lmen te por óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro ha sta en un 95% . Las fases presen tes compren den principalmente silicatos de calcio (3CaO·SiO 2 y 2CaO·SiO 2) y en me nor prop orción aluminato de calcio (3CaO·Al2 O 3 ) y ferroa luminato de calcio (4CaO·Al2 O 3 ·Fe 2 O 3 ). Las propiedades de 80
El cemento Pórtland tiene características peculiares con respecto a otros materiales de construcción. Se requieren conocimientos en dos líneas principales para su explotación ade cuada . En primer lugar sobre los procesos de fabricación, que involucran ma terias primas (selección y formulación), procesa miento térmico (calentamiento y enfriamiento) y molienda; sólo un cemento b ien procesado tiene buen potencial de desempeño. En segundo lugar vienen los problemas involucrados en la utilización del cemento, do nde se requiere tene r conocimientos sobre la química de hidratación, interacción con agregado s y con fibras, reacciones n ocivas, resistencia al ata que químico, etc. La preparación de un buen concreto puede ser cuestión d e buen a suerte, pero en gene ral la ob tención d e buenas propiedades y buena durabilidad (por muchos años), lejos de ser trivial e stá ligada a l dominio del proceso.
Cemento y contam inac ión Durante los últimos 60 añ os el estudio de la fabricación y utilización del cemento Pórtland se ha atendido con enfoqu es cada vez men os emp íricos y más científicos. A raíz de e sto, los procesos de p roducción se h an mejorado; uno de los más notab les ha sido e l camb io d el proceso que ma nejaba la materia prima en húme do (barbotinas) al manejo en seco; como resultado se ob tuvieron a horros de e nergía d e má s del 40%, sin men ciona r la redu cción de emisión de contaminantes y del tama ño de los hornos. La producción d e cemento es un proceso de a lta deman da ene rgética d e com bustibles ( ≈4,00 0 kJ/kg cemen to, 25%
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de pé rdidas) y con alta emisión de co ntam inantes (0.851 kg CO 2 /kg cemen to) por desca rbo na tación d e ma teria prima y uso de combustibles. Las restricciones ambientales impuestas a las cementeras son cada vez más estrictas 1, lo qu e d eberá llevar a la o ptimización de procesos o a la búsqueda de a lternativas pa ra la resolución de los diversos problema s y necesidad es actuales. Desde la perspectiva interna cional, existe el constante crecimiento de la población, que a su vez demanda infraestructura de vivienda y social en los lugares de asentamiento. Para satisfacer la creciente d eman da de cemento e s necesario b uscar esquema s alternativos de ap oyo, de o tra suerte los costos económicos, energéticos y ecológicos serían muy a ltos. La prod ucción mund ial de cemento es de aproximadamente 1500 millones de toneladas, con la consecuente e misión de casi la misma cantidad de toneladas de CO 2 . Desde la perspectiva nacional, México produce suficiente cemento para el consumo interno. De hecho la principal compa ñía nacional ( C e m e x ) es el tercer productor mundial (incluyendo todas sus plantas en varios países) y es también el primer exportador mundial. Sin embargo, existe la necesidad de crear materiales de construcción de meno r costo; por o tro lado, d ada la d iversidad y lo extremoso del clima en algunas regiones, se requieren materiales con propiedades diversas, por ejemplo térmicame nte a islan tes.
Ceniza de cascarilla de arroz
SiO 2 Sílice Geotérmica
Microsílice
Ceniza Volcánica
Ceniza Volante
escoria
Cem. Portland
CaO
Al 2O 3
Figura 1. Composición química aproximada de los materiales alternativos empleados en construcción.
¿Cómo se pue den clasificar los materiales alternativos? Los hay sintéticos o naturales, pero una clasificación más a decuad a involucra su comp osición química y por ende el tipo de p roductos de hidratación q ue forman. Se puede decir que existen materiales puzolánicos e hidráulicos. La figura 1 presenta los camp os de compo sición química a proximada de los materiales alternativos en un diagrama d e comp osición SiO 2-CaO-Al2O 3.
Materiales alternativos Los materiales alternativos tiene n cab ida como materias primas o materiales cementosos de reemplazo parcial o total del cemento Pórtland. Parte de la generación de CO 2 viene de des-carbonatación del CaCO 3 q u e representa a lrededo r del 80% de la ma teria prima (0.3Kg CO 2 /Kg cemento). El uso de fuentes de CaO diferentes pu ede a liviar pa rcialmen te tal situación . Por otro lad o, es po sible usar cen izas y escorias como ma terias primas; sin embargo, en este artículo nos interesará el carácter ad hesivo de los materiales alternativos. Se pue de d efinir un material adh esivo alternativo como a quel que tenga propiedad es cementosas per se o latentes (que requieren ser potenciadas externamente), esto es, que pueda emplearse como substituto parcial o total del cemento Portland. A continuación se revisarán algunos detalles respecto a su com posición q uímica, origen, forma de uso y po sibles ventajas.
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Materiales puzolánicos Las puzolanas son aquellos materiales de composición rica e n SiO 2 , similares a las cenizas volcánicas u tilizad as por los romanos. Ejemplos de éstos son la ceniza volcánica (emplead a e n nu estro p aís), la sílice cond ensada , algunos caolines, ceniza de cascarilla de arroz y desechos geotermales. La tabla 1 p resenta un resumen de a lgunas de sus características. Todos estos materiales pueden ser empleados como reemplazo parcial del cemento Pórtland y algunos como reemplazo total. Los materiales puzolánicos son a sí llam ad os po r la intera cción q uímica con los productos de hidratación del cemento, principalmente [Ca(OH )2]; la rea cción que describe tal proceso es llam ad a “reacción p uzolán ica” x S de la puzolana + y C Hdel cemento + z H
→
C y·S x·H (y+ z). 81
Tabl a 1 1.. abla
Características general es de los materi ales puzolán icos.
Procesamiento adicional requerido
Características
Origen
Sílice condensada
Aglomeración para su manejo
Partículas esféricas de tamaño < 1 µm. Alta área superficial
Vapores condensados de la producción de carburo de silicio
Ceniza volcánica
Molienda
Reactividad variable, pa rtículas de forma irregular
Emisiones volcánicas
C en iza d e ca sca rilla de arroz
Ca lcin ació n, se a pro ve ch a Mo rfo lo gía irregula r, el calor generado como tamaño muy fino, combustible alta área superficial
Pro du cció n d e gra no de arroz
Sílice geotérmica
Lavado
Morfología irregular, ta maño submicrónico, a lta áre a sup erficia l
Incrustaciones en líneas de vapor geotermal (genera ción d e electricida d).
Caolines
Tratamiento térmico hasta 800º C
Tamaño de partícula fina, alta área superficial
Mineral
Partículas esféricas de ta ma ño va ria ble sim ila r o menor a las del cemento Portland
Generadas por la combustión d e ca rb ón p ara la ge ne ra ció n de electricidad
Ceniza volante
La gene ración de m ás C-S-H y la e limina ción del CH
Materiales hidráulic os
producido p or el cemento explica el incremento e n las propiedades me cánicas de cementos reemplazados. Los an tiguos cementos roman os mezclaba n simplemen te cal [Ca(OH)2] con ma terial volcánico y obtenían C-S-H como se plantea en la reacción anterior. Además de la composición química de las puzolanas, sus características físicas, como tama ño de pa rtícula y morfología, influyen también considerablemente en las propiedades del
Estos materiales son de los más comúnm ente emp lead os en la escoria de alto horno granulada; sin embargo, es posible e mplear escorias de otros procesos como los de acera ción, produ cción de fósforo, cobre, zinc y plomo 3,4 . Pueden considerarse como materiales sintéticos dado que son subp roductos. En términos generales requieren de molienda antes de ser empleados como reemplazo del cemento P órtland.
cemento substituido. Los niveles de reemplazo de los ma teriales puzolánicos por cemento pueden llegar hasta un 30%. Algunos de estos materiales son empleado s en n uestro p aís, mas no se explota tod o su p otencial y las cantidade s generada s no se conocen con total certidumb re; sin em bargo se h a citado un a produ cción mun dial de 180 x10 6 toneladas de ceniza volante 2.
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Para el caso de e scoria d e a lto horn o (producción de hierro), los niveles de substitución por cemento 5 son de 10 a 90% y varían según las n orma s locales. Al igua l que las puzolanas, interacciona con los productos de hidrata ción d el ceme nto pe ro la rea cción e s diferen te ya que los materiales hidráulicos, como la escoria de alto ho rno, contienen calcio en su comp osición qu ímica. La reacción que produce C-S-H y e limina el CH generad o po r el cemen to sería (sin ba lancea r):
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Figura 2. Evolución de la concentración de Ca(OH)2 durante la hidrata ción de un cem ento Portland p uro y cem ento substituido con escoria y cenizas volcánica y volante.
xC + yS + zCHdel cemento + H
→
C-S-H.
La figura 2 muestra la producción de Ca(OH) 2 generado durante las reacciones de hidratación del cemento Pórtland vs tiempo. El resto de las líneas representa la concentración de Ca (OH) 2 para cementos Pórtland substituidos con escoria de alto horno, ceniza volante y ceniza volcánica (mexicana s). Pued e no tarse que las curvas de concentración de Ca(OH) 2 para el cemento substituido inicialmente suben y eventua lmente tiend en a la ba ja al da r inicio la reacción d e consumo del Ca(OH)2. Para los materiales de reemp lazo de l cemen to Pórtland generalmente se requiere un estado estructural amo rfo (como los vidrios), esto es, con a lta en ergía interna y por ende inestables termodinámicamente y muy reactivos químicamente 6 . El mecanismo básico es el ataq ue a lcalino d e los OH - sobre la estructura vítrea p ara disolverla, con la consecuente combinación con el Ca(OH)2 y precipitación de productos cementosos tipo C-S-H.
Disponibilidad d e materiales Se estima que la producción nacional de escoria es de aproximadame nte 1 .4x10 6 toneladas anuales entre las
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dos principales acereras nacionales (EUA comercializa 10 6 e Ind ia 7x10 6 toneladas anua lmente 7), esto eq uivale a la producción anual de una planta cementera. No se dispon e d e d atos confiables de la gene ración de ceniza volante adecuada para aplicarse en cementos; sin embargo, los planes de expansión de infraestructura de la Comisión Federal de Electricidad sugieren que habrá generación de cantidade s considerab les de e ste material. La cantidad d e ceniza volcánica empleada es una función de la dispon ibilidad . Al respecto d e la sílice geo térmica, algunos estudios preliminares h an mostrado su carácter puzolánico 8; actualmente está en desarrollo u n e xtenso estudio sobre la viab ilidad d e uso en ce men to Pórtland 9. La sílice geo térmica no se explota sistemáticamen te y se estima un acumulado a la fecha de al menos 500,000 toneladas.
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Tabl a 2.
Ligante básico
Cementos substitui dos a base de cemento Pórtland. Materiales de reemplazo
Resistencia mecánica
Ceniza volante
√
Ceniza volcánica
√
Cemento
Escoria de alto horno
√
Po rtla nd
Sílice co nd en sa da
√√√
Caolines
√
Sílice geotérmica
√√
Existen otras fuentes d e desechos. Por ejemplo, el yeso puede provenir de la industria cerámica tradicional (producción de muebles para baños, etc.) o como subproducto de fabricación de ácido fluorhídrico. Otros materiales de desecho qu e pued en ser empleados son las escorias de o tras industrias me talúrgicas 10 , así como lodos de drena je11 , lodos de producción de a luminio 12 o residuo s de incinerad ores municipales13 . Por supuesto, es necesaria una base de d atos o una bolsa de d esechos indu striales que permita la reutilización y el aprovechamiento de desecho s de este tipo.
Esquem as de materiales c em entosos y sus ventajas Los esquema s de ma teriales adh esivos existentes varían en función de su composición y sus propiedades; una po sible clasificación considera sistemas b ásicos o sub stituidos. Los materiales cementosos son nobles y son muchos los materiales que pueden incorporarse. Un ejemplo de esto es la inmo vilización de desechos pe ligrosos en m atrices de cemento Pórtland o ha sta la incorporación de llanta s reciclada s que mejoran la impermea bilidad d el sistema 14 . El cemento Pórtland (cemento base) puede reemplazarse por los materiales indicados en la tabla 2. En todos los casos se obtienen mejores propiedade s de resistencia y de du rabilida d. Los ma teriales como la sílice condensada y la escoria inducen propiedades de alta resistencia mecán ica (12 0Mpa) 15 .
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Tabla 3. Cementos generados con desechos químicamente activados. Liga nte bá sico
Ca ra cte rística s
Observa ciones
Escoria de alto horno activada por álcalis
Excelentes propiedades mecánicas, 0% cemento Pórtland
Posiblemente pueda incorporar otros desechos, aho rros de hasta 40% en costos
Ceniza volante activada por álcalis
Propiedades mecánicas aceptables, 0% cemento Pórtland 18
Escoria de p ro du cció n d e fósforo y cobre 19
Buenas p ro pie da des mecánicas, 0% cemento Pórtland
Cementos de sulfoaluminatos de calcio 20
Relativamente reciente, en desarrollo con excelentes propiedades
Menor demanda energética que el cemento Pórtland
Cementos supersulfatados
5% cemento Pórtland, 80-85% e sco ria , 1 0-1 5% yeso
No soportan curado a alta te mp era tu ra
Otro esquema es el de los desechos químicamente activados, por ejemplo las escorias de alto horno activadas. En este caso no se usa ceme nto Portland y las reacciones de hidratación de la escoria se activan con agentes alcalinos como hidróxido de sodio, silicato de sodio y carbonato de sodio. Las propiedade s mecánicas resultantes dependen del tipo de agente activante 16 : generalmente las mejores propiedade s se obtienen con silicato d e sod io y las má s pobres con hidróxido de sodio.
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70
] 60 a P M [ n 50 ó i s e r p 40 m o C a l 30 a a i c n e 20 t s i s e R
10
0 C PO
2 0 % ce n iza
20% s ílice
volante
condensada
C PO
5 0 % e s co ria Mo rte ro C PO
Mo rte ro
Pasta
escoria
cemento
con 10% sílice
activada
Portland
geotérmica
silicato de sodio
Figura 3. Resistencia a la compresión de diversos sistemas cementosos 4,8,22.
Algunos estudios sobre la adición de desecho de sílice geotérmica al sistema de escoria con NaOH indican incremen tos significativos de las p ropiedad es mecánicas 17 . Los productos de rea cción gen erad os son similares al CS-H del cemento Pórtland. La posibilidad de combinar algunos desecho s con la escoria a ctivada con agen tes de bajo costo h a dad o resultado s promisorios. Las cenizas volantes activadas están también bajo estudio con bu enas propiedades mecánicas. La tabla 3 presenta algunos esquemas con pequeñas fracciones o nada de cemento Pórtland. Otro esquema alternativo con gran potencial y que puede presentar ligereza, buen acabad o y rápido fraguado es el que involucra yeso+ cemento+ puzolana . El costo de estos materiales puede implicar ahorros de hasta 70% 4; sin embargo, la durabilidad de estos sistemas no está bien de finida y continúa b ajo estudio 21 . Las posibilidad es de igualar estos esquema s con materiales sólo de desecho o subp roductos son interesantes y se están desa rrolland o en la Unida d Saltillo del Cinvesta v. Asimismo, se llevan a cabo estudios sobre el sistema cemento Pórtland + escoria activada por álcalis.
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Cementos substituidos y “cementos sin cemento Pórtland” Las propiedade s primordiales de interés para los usua rios de materiales de construcción son la resistencia mecá nica y la durab ilidad. Algunas ven tajas que pued en explotarse del empleo de materiales cementosos constituidos parcial o totalmente por desechos o subproductos son los siguientes (con respecto de los materiales basados en cemento Pórtland): • Propiedades mecánicas similares o en muchos casos superiores. • Durabilidad mejorada a a mbientes químicos agresivos (p. ej., agua de mar, pisos en plantas químicas). • Extensión de la capacidad de producción del cemento cuando se usan como reemplazo (10-90%) sin requ erir de p rocesamiento térmico adiciona l (aho rro de energía y meno r conta minación).
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• Reducción de la acumulación de desechos en tiraderos o rellenos. Comparado con las ventajas obtenidas, las desventajas son de poco peso, pero deben tenerse en consideración e n alguno s aspectos tecnológicos. En el uso d e escorias de alto horn o inicialmen te la resistencia mecánica es menor a los productos elaborados con cemento P órtland y las ventajas se obtienen en e l largo plazo (después de 28 días): mejor durabilidad, resistencia al ataqu e q uímico, propiedade s mecánicas superiores. Este problema está siendo an alizado en la Unidad Sa ltillo del Cinvesta v. Las escorias activad as presen tan fluide z y tiempo s de fraguado meno res que el cemento P órtland , lo que puede representar problemas para concretos premezclados y su colado. El manejo de los agentes activantes alcalinos puede ser un factor de riesgo si se ha ce sin con trol.
Perspec tivas El nivel de uso de cada desecho o combinación de desechos estará regido por factores como la disponibilidad y los
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efectos gene rado s sobre el cemen to. La sílice condensa da pued e usarse como a ditivo (en lugar de reemp lazo) en un 10% y mejora significativamente las propiedades mecánicas del concreto; por otro lado, las escorias se pued en emplear en reemplazo hasta de un 50% con ahorro de cemento. Los niveles de aplicación estarán regidos por las normas locales o por los requerimientos específicos de un proyecto de construcción. Por ejemplo, en los EUA la adición de materiales de desecho al cemento para come rcializar no e stá permitida p or sus propias norma s; sin e mba rgo, éstas p ermiten a gregar, por e jemplo, ceniza volante al concreto en el sitio de la construcción. En México se permite agregar alrededor de un 5% del cemento como caliza, escoria, ceniza volante, etc. Las propuestas de materiales adh esivos nuevos o de combinaciones nuevas siempre vienen a compañad as de ciertas dudas: ¿será durable el material?, ¿soportará las condiciones a las que se expondrá?, ¿mantendrá sus propiedades mecánicas y estéticas? Por esta razón la introdu cción de nu evos materiales no es trivial, espe cialmente cuando hay vidas humana s que dependen de la solidez y durabilidad de una estructura o construcción. Lo cierto es que existe la necesidad de alternativas de reemplazo de cemento. Si sólo en México se reemplazara
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mundial, las restricciones ambientales cada vez más exigentes y el enca recimiento y la esca sez de e nergéticos. Por supuesto, la tendencia internacional deberá orientarse hacia la generación de bienestar para las generaciones actua les pero sin comprom eter el biene star de las generaciones venideras hacia una política de desarrollo sustentable. Desde esta perspectiva, los materiales alternativos de construcción, así como el reciclaje y la reutilización de muchos otros materiales, representan una de las vías de solución; es necesario generar políticas qu e orienten esfuerzos en e sta dirección.
Conclusión
el cemento po r 5% de escoria o ceniza volante, se e staría hablando de un a reducción d e 1.4 millones de tonelada s de CO2 liberada s al medio ambiente; extrapolada a escala mundial, la cifra sería de 75 millones de toneladas de CO 2. Mucho d el con ocimiento sobre estos proceso s se genera en países desarrollados y es necesario reducir la dependencia del conocimiento y la tecnología del extranjero. La forma ción d e recursos huma nos calificados ayud ará a formar un equipo qu e genere conocimientos y permita que estemos preparados con opciones adecuada s antes de qu e las necesidades nos alcancen y nos tomen desprevenidos. En opinión de algunos investigadores 23 , la tecnología de materiales de alto volumen y tonelaje (cemento, con creto, acero, a leacione s ligeras, compo sitos) está alcanzando una madurez tecnológica que avanza ahora lentamente. Esto es aceptable sólo de manera parcial: muchos p aradigmas deb erán cambiar en vista de las necesidades que generará la creciente po blación
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El concreto es un material estratégico: en los EUA las edificaciones y estructuras construida s representa n cerca del 70% d e la riqueza d el país24 . Es importante gene rar una cultura que cambie la imagen del concreto como un material de bajo costo y simple de elaborar por lo qu e realmente es: un componente de alto desempeño y de infraestructura básica. La incorpora ción de materiales de desecho puede permitir extender la capacidad de producción de materiales cementosos que puede n ofrecer mejores propiedades que el cemento Pórtland y a un meno r costo; coadyuvan en la reducción d e emisión d e contam inantes y requerimientos energéticos; redu cen la acumulación de desechos en tiraderos industriales o rellenos sanitarios, etc. Las ventajas potenciales están allí; se requ iere invertir tiempo, dinero y recursos huma nos para llevar a nue stro pa ís a un m ejor nivel de explotación de sus recursos con una orientación de respeto a l medio ambiente.
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