1. Introducción

Desde los principios de la humanidad, por instinto, el hombre busca satisfacer al menos tres necesidades básicas: alimentos (en busca de comida), abrigo y confort. Sin embargo, con el descubrimiento de la agricultura ⁵ , desde hace unos 10.000años, el hombre se dio cuenta de que podía producir sus propios alimentos, estableciendo así un vínculo con la tierra, dejando de ser nómade y convertirse en el "dueño" de estos territorios fértiles.

Según ^{Salvadori (2006)}, desde el descubrimiento de la agricultura, los abrigos o tiendas provisionales se reemplazaron por viviendas más sólidas y un fuego fijo empezó a ocupar el lugar central del ambiente. Un gran número de cabañas se fijó en regiones fértiles, el contacto entre las familias se hizo más frecuente e íntimo y surgieron los primeros pueblos, que se unirían por una red de senderos. Este hecho introdujo el concepto de la sociedad que hoy conocemos.

La necesidad de viviendas más sólidas condujo, indirectamente, a que los seres humanos buscasen recursos naturales que permitieran que las construcciones soportasen el clima, los vientos fuertes, lluvias e incluso la acción del fuego. En otras palabras, por instinto, la búsqueda del hombre sería encontrar una construcción con "vida útil" superior a la de las construcciones provisionales. Para este propósito, evidentemente, los seres humanos se dieron cuenta de la necesidad de utilizar materiales más resistentes y duraderos.

Las siguientes generaciones fueron observando, adaptando y creando nuevas formas de construcción duradera y este hecho, junto con el crecimiento de la población ⁶ de la Tierra, requirió cada vez más recursos naturales del planeta para uso en sus viviendas.

El uso desenfrenado de los recursos naturales combinado con la degradación del medio ambiente para la extracción y manejo de estas materias primas, así como su procesamiento y posterior eliminación, causó una gran preocupación mundial en relación a los aspectos del concepto de sostenibilidad.

Se entiende que la sostenibilidad es un concepto sistémico que puede definirse como el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras. En general, para que una empresa humana sea sostenible, tiene que cumplir cuatro requisitos básicos: debe ser ecológicamente racional, económicamente viable, socialmente justa y culturalmente aceptada. Así, la sostenibilidad es un principio que debe estar de acuerdo con tres campos vitales: social, económico y ambiental, como se ve en la ilustración de la Figura 1 (⁵).

Figura 1 Configuración macro de sostenibilidad vinculada a tres campos vitales: social, económico y ambiental (adaptado de ⁵) 

En general, se observa que los recursos naturales finitos del mundo están siendo utilizados y desechados a un ritmo que el mundo no puede permitirse. Por otra parte, las emisiones causadas por el consumo de estos recursos están produciendo contaminación ambiental y la degradación está conduciendo a un cambio climático global. El impacto ambiental causado por los seres humanos ha sido repetidamente alertado por organizaciones ⁷ repartidas por todo el planeta. Grandes movimientos para divulgar la degradación del medio ambiente están siendo promovidos en Brasil ⁸ y en el mundo, aún así, el concepto de sostenibilidad todavía encuentra resistencias en algunos sectores de la sociedad, incluyendo el de la construcción.

La industria de la construcción consume una gran parte de los recursos naturales extraídos del planeta y en este escenario, el hormigón es en gran parte responsable por este consumo. Es importante destacar que el hormigón es el material más utilizado por la humanidad, después del agua (^{MEHTA, 2008}). Por lo tanto, la inversión en alternativas que promuevan edificaciones sostenibles, se considera actualmente como el gran reto de la ingeniería mundial. En Brasil, el Instituto para o Desenvolvimento da Habitação Ecológica - IDHEA es uno de los pioneros en la certificación de obras con características sostenibles.

Según IDHEA, el concepto de construcción sostenible se basa en el desarrollo de un modelo que permita que la construcción enfrente y proponga soluciones para los principales problemas ambientales de nuestro tiempo, sin renunciar a la tecnología moderna y que haga posible la creación de edificios que satisfagan las necesidades de sus usuarios.

De acuerdo con esta perspectiva, la construcción sostenible se comporta como un sistema que promueve cambios conscientes en el entorno, de modo que satisfaga las necesidades de construcción y uso del hombre moderno, preservando el medio ambiente y los recursos naturales, garantizando la calidad de vida de las generaciones actuales y futuras.

En este sentido, el enfoque de este artículo es abordar el uso del hormigón para el modelo de construcción sostenible, señalando que el caso en estudio es sólo una alternativa técnica que permite la reducción del volumen de hormigón en una estructura y no el cambio de características del mismo, tales como la incorporación de agregados reciclados o el uso de cemento ecológicamente correcto en la dosificación.

Los objetivos de este artículo son: (a) dar una visión general y analizar el uso del hormigón en la construcción sostenible; (b) describir el uso de hormigón de altas prestaciones, con vistas a los temas de sostenibilidad; y (c) promover la discusión del tema para investigadores y empresas de construcción.

2. Hormigón sostenible y el concepto de vida útil.

Según Mehta (2008), se estima que el consumo actual de hormigón en el mundo es del orden de 11 mil millones de toneladas por año. Si tenemos en cuenta que al menos una séptima ⁹ parte de esta masa es la cantidad de cemento que se produce anualmente en todo el mundo, se obtiene un valor aproximado de 1,6 mil millones de toneladas.

Con respecto al cemento, ^{Isaia y Gastaldini (2004)} reportan que su producción consume 5,5GJ de energía y libera aproximadamente 1 tonelada de CO₂ por tonelada de clínker. Estos números traducidos significan que todo el cemento producido en todo el mundo corresponde entre 5% y 8% del total global de CO₂ emitido anualmente a la atmósfera. Teniendo en cuenta que 1 tonelada de cemento tiene alrededor del 70% de clinker, se observa que al año, la industria del cemento emite mil millones de toneladas de CO₂ a la atmósfera.

Aunque las cifras no son relevantes frente al tema del CO₂ mundial (pues representan en promedio 6% del total emitido, pero evidentemente no se pueden ignorar), la producción de cemento para uso en hormigón se ha reformulando para seguir el desarrollo sostenible global. Básicamente hay dos formas de reducir la cantidad de CO₂ en la atmósfera causada por la producción de cemento: la reducción de la producción o la sustitución del "cemento puro" por uno o más aditivos minerales, en su mayoría subproductos industriales, como el caso típico de la escoria de alto horno o de las cenizas volantes, transformando el producto en "cementos ecológicamente correctos".

En la práctica, una iniciativa global adoptada por varios investigadores, incluyendo Brasil, es la sustitución de parte del cemento por escoria de alto horno y cenizas volantes de centrales eléctricas. Según ^{Levy (2005)}, esta sustitución presenta ventajas técnicas, económicas y sobre todo ambientales, ya que puede reducir significativamente tanto las emisiones de CO₂ en la atmósfera, como el consumo de energía. Por lo tanto, ha sido posible reducir la producción de clinker, con un menor consumo de piedra caliza y, por consiguiente, disminuyendo la cantidad de CO₂ emitida a la atmósfera, tornando estos cementos más ecológicos.

En términos globales, es posible medir cuantitativamente el reflejo de la iniciativas sostenibles en el medio ambiente. En 2009, el Concrete Centre elaboró el documento "The concrete industry - Sustainability performance report " con indicadores de una reducción directa del 27% en las emisiones de CO₂ a partir de 1990, en la producción total de cemento en la región de Reino Unido. Otro documento elaborado por el Concrete Centre en 2005, llamado "Civil Engineering - Sustainable solutions using concrete" ofrece indicadores de las principales empresas cementeras del mundo donde, por ejemplo, Lafarge Cement redijo en 20% y el Heidelberg Castle Cement en 15%, la emisión CO₂ en sus producciones mundiales.

Sin embargo, el impacto ambiental del hormigón no sólo es causado por el cemento. Para la producción del hormigón también se consumen materiales como arena y grava. Según ^{Klein (2008)} e ^{Isaia y Gastaldini (2004)}, se estima que 12 mil millones de toneladas de agregados se consumen a cada año. Por otra parte, teniendo en cuenta el impacto de la explotación, todo el procesamiento y el transporte de esta materia prima, se observa que el proceso de producción del hormigón afecta significativamente el medio ambiente. Además, a este montante se le debe añadir el consumo de más de mil billones de litros de agua al año.

Por lo tanto, se destaca que sólo el control de las emisiones de CO₂ en la producción de cemento no contribuye a la "salvación" del planeta, en lo que se refiere a los aspectos relevantes para la construcción sostenible, que utiliza al hormigón como material principal. Se necesita analizar el material aplicado a nivel global en la estructura y no los componentes individuales.

Se observa una interesante paradoja en esto: si el consumo de cemento y hormigón se utilizan como índices de desarrollo de una nación, como pueden, al mismo tiempo, utilizarse como índice de la degradación del medio ambiente?

Una de las respuestas es pensar acerca de la estructura, en la obra, en el producto final y no en los materiales por sí solos.

Teniendo en cuenta esta paradoja se puede aclarar que analizar la estructura, el producto final y no los materiales por sí solos, significa aplicar uno de los conceptos de ingeniería más importantes: el concepto de vida útil ¹⁰ .

Una construcción sostenible está directamente relacionada con el concepto de vida útil, ya que como lo señala ^{Klein (2008)}, en general, el aumento de la vida útil ha sido una buena solución a largo plazo para la conservación de los recursos naturales, reducción de los impactos, ahorro de energía y preservación de los recursos naturales.

Se entiende que la vida útil es el período de tiempo durante el cual las estructuras se mantienen dentro de los requisitos mínimos de funcionalidad, desde que se cumplan las recomendaciones de uso y mantenimiento prescritas por el proyectista estructural y el constructor, y que se efectúen las reparaciones necesarias en caso de daños accidentales.

Las estructuras de hormigón se deben proyectar, construir y utilizar de tal modo que, bajo las condiciones ambientales previstas y respetándose las condiciones de mantenimiento preventivo especificadas en el proyecto estructural, conserven su seguridad, estabilidad, función y apariencia aceptable durante un período predeterminado de tiempo, sin necesidad de medidas adicionales de mantenimiento y reparación.

Al menos cinco alternativas se pueden adoptar para que el hormigón sea empleado cada vez más en construcciones sostenibles: actuar sobre los materiales, emplear agregados reciclados, utilizar hormigón autocompactante, hormigón de alta vida útil y hormigón de alta resistencia.

No es el objetivo de este documento estudiar todas estas alternativas, sin embargo, se discutirá el empleo de hormigón de alta resistencia en columnas estructurales mediante el estudio de un caso práctico. La finalidad principal consiste en demostrar que es posible utilizar un hormigón de alta resistencia (con un mayor consumo de cemento por metro cúbico) que satisfaga los requisitos de sostenibilidad, debido a la reducción del volumen total de hormigón de la obra y al aumento de su vida útil.

3. Estudio de caso práctico

Los elementos estructurales (columnas) estudiados en este caso práctico pertenecen a e-Tower, un edificio comercial de 162m de altura y 42 pisos (incluyendo los 4 subsuelos), ubicado en la calle Funchal nº 418, Vila Olimpia, São Paulo, Brasil.

En este edificio se hormigonaron cinco columnas pasando por los cuatro subsuelos, la planta baja y los 4 primeros pisos, con un hormigón de f _ck = 80MPa ¹¹ a los 28 días de edad. En la Figura 2 se puede observar la perspectiva arquitectónica del edificio e-Tower (Concrete International, 2003).

Figura 2 Perspectiva arquitectónica del edificio e-Tower en São Paulo, Brasil (Concrete International, 2003). 

El hormigón de alta resistencia fue la solución técnico-económica presentada para el edificio e-Tower, debido a que se necesitaba reducir las dimensiones de las columnas de la fachada norte, que tenían una alta carga en los subsuelos. El estudio inicial proponía una sección del orden de 0,90m², alrededor de 90cm x 100cm. Estas dimensiones se debían al hecho de haberse adoptado para toda la estructura una resistencia característica a la compresión, f _ck, de 40. Sin embargo, el proyecto arquitectónico solicitaba que las dimensiones máximas de estos elementos estructurales no excediesen 60cm x 70cm. Para esto, el f _ck del hormigón se aumentó a 80MPa en esas columnas y todo el cálculo estructural fue rehecho.

Según ^{Helene (2005)}, lo que también llevó al uso de hormigón de alta resistencia, fue la distancia necesaria entre las columnas para permitir que se pudiesen proyectar dos plazas de estacionamiento de tamaño medio, con luz entre columnas de 4,20m, al menos, siendo que 4,40m sería más aconsejable. En la ciudad de São Paulo, el Código de Obras establece que una plaza de estacionamiento de tamaño medio tenga, al menos, 2,10m de ancho. Por otra parte, de acuerdo con el proyecto aprobado en el Ayuntamiento, la mayor dimensión de las columnas paralela a las plazas, era 70cm. La modificación del proyecto de las columnas se puede ver en la Figura 3.

Figura 3 Edificio e-Tower: columnas existentes en el proyecto original de f _ck = 40MPa (90cm x 100cm) y columnas modificadas con f_ck 80MPa (60cm x 70cm). 

Esta modificación del proyecto (la reducción del tamaño de las columnas) permitió que se pudiesen analizar los aspectos concernientes a la construcción sostenible. En términos de vida útil y sostenibilidad, uno de los principales mecanismos nocivos de una estructura de hormigón armado es la corrosión de acero.

Todo acero al carbono está permanentemente protegido en un ambiente altamente alcalino, con pH mayor que 12. Esta conclusión ha sido reconocidamente constatada en estructuras de hormigón de cemento Portland sin cloruros, porque los productos de hidratación de las reacciones de endurecimiento de los granos de cemento anhidros con el agua, liberan grandes cantidades de Ca (OH)₂, NaOH y KOH, que son bases fuertes (^{Helene, 1986}).

Esta capacidad de protección por pasivación se puede perder con el tiempo en función de varias acciones, de las cuales las principales son la penetración de cloruros y la reacción del dióxido de carbono CO₂ con álcalis de productos de hidratación, que tiene como resultado sales de baja alcalinidad, un fenómeno conocido como carbonatación del hormigón.

Cuando se aumenta la resistencia del hormigón, menor es el riesgo de corrosión de la armadura, dada la gran dificultad de penetración de agentes agresivos. Según ^{Levy (2005)}, con poros menores y no conectados entre sí, el hormigón de altas prestaciones es menos susceptible a la acción de agentes agresivos, disueltos en agua, lo que aumenta su durabilidad y por lo tanto la vida útil de la estructura.

Según Kaefer apud ^{Levy (2005)}, la resistencia del hormigón de altas prestaciones dosificado con humo de sílice u otras adiciones podría alcanzar entre 60MPa y 120MPa, mientras que el promedio brasileño al comienzo del siglo XXI, era de 20-25MPa. Así, el autor señala que un edificio podría tener columnas con dimensiones hasta 50% menores con la misma capacidad de carga.

En el caso en estudio se ha comprobado que las columnas modificadas sufrieron reducciones de área significativas, como se muestra en la Tabla 1. Debe destacarse que en el hormigón de altas prestaciones estudiado, se utilizó una cantidad de aproximadamente 35% de adiciones como sustitución de la cantidad total de cemento.

Tabla 1 Datos obtenidos en el caso práctico estudiado sobre las columnas de hormigón de altas prestaciones del edificio e-Tower, con relación a las modificaciones del diseño. 

Del punto de vista del concepto de construcción sostenible, algunos parámetros importantes se lograron con este cambio de diseño: el aumento de la vida útil, la reducción del uso de recursos naturales, de los impactos ambientales, de la energía y del volumen total de hormigón en la obra (A pesar de que el consumo de cemento por metro cúbico de hormigón fuese superior al del hormigón del proyecto original, con f _ck = 40MPa).

Específicamente, sobre el aumento de la vida útil, se adoptaron algunos valores estandarizados consagrados en la bibliografía ¹² para ilustrar la magnitud del crecimiento, como se muestra en la Tabla 2, donde se puede observar un aumento de diez veces de la vida útil de proyecto.

Tabla 2 Datos obtenidos en el caso práctico estudiado sobre las columnas de hormigón de altas prestaciones del edificio e-Tower, con relación al crecimiento de la vida útil. 

En cuanto al ahorro de recursos naturales, se encontró que hubo una reducción considerable de todos los materiales utilizados en la composición de hormigón f_ck = 80MPa, en comparación con el hormigón de 40MPa. El volumen de los agregados se redujo 70%, mientras que el cemento se redujo 20%, de acuerdo con la Tabla 3.

Tabla 3 Datos obtenidos en el caso práctico estudiado sobre las columnas de hormigón de altas prestaciones del edificio e-Tower, con relación a la reducción de los materiales por separado y del hormigón como un todo. 

4. Consideraciones finales

Con relación a los objetivos del estudio, la revisión de la literatura y el estudio de caso práctico permitieron obtener una visión general de cómo el hormigón - visto como un material - puede ser considerado atractivo desde el punto de vista de la concepción de una construcción sostenible.

Sin embargo, debe destacarse que a menudo se confunde cemento con el material hormigón. El cemento es un componente del hormigón y no se le puede analizar de forma aislada con respecto a los temas de la sostenibilidad. En la Figura 1 de este trabajo se expone claramente que el concepto de sostenibilidad se basa en tres campos fundamentales: social, económico y ambiental. Por lo tanto, cuando se usa el hormigón, parámetros tales como durabilidad y vida útil deben constituir una prioridad.

En el extranjero, principalmente en el Reino Unido, ha sido exhaustivo el programa de sostenibilidad que comprende al hormigón, a partir del análisis de los componentes que lo constituyen (cemento y agregados) hasta el material considerado como un todo. Diversos artículos de la literatura técnica sugieren iniciativas para minimizar el impacto ambiental, y tal como se ha comprobado, existen indicadores suficientes que muestran que se han alcanzado resultados positivos y significativos en los últimos 20años. Algunos de estos indicadores han sido citados a lo largo de este trabajo.

Por último, puede considerarse que el uso de columnas de hormigón de altas prestaciones es una alternativa sostenible, porque conserva los recursos naturales, reduce el impacto ambiental, ahorra energía y aumenta el potencial de extracción de recursos naturales para otros fines. La reducción del volumen de hormigón y el considerable aumento de la vida útil - como se demuestra en este trabajo - satisfacen los principios de la construcción sostenible, incluso con un consumo de cemento por metro cúbico superior al del hormigón considerado "convencional". Por lo tanto no es correcto afirmar que cuanto mayor es el consumo de cemento por metro cúbico de hormigón, menor será el potencial de la construcción sostenible, si se considera el hormigón de alta resistencia.