¿Cómo las heces humanas pueden reforzar el hormigón hasta un 42%?

Parece uno de esos titulares fabricados para provocar una segunda lectura —y cierta mueca—, pero detrás hay un experimento real. Un grupo de investigadores ha comprobado que un material obtenido a partir de lodos fecales humanos tratados puede sustituir una parte del cemento utilizado para fabricar hormigón y, en determinadas proporciones, mejorar algunas de sus propiedades mecánicas.

El dato importante necesita una precisión. No son las heces humanas, tal cual, las que resultan más resistentes que el cemento. Los científicos transformaron los residuos mediante pirólisis, un tratamiento térmico con poco oxígeno que produce un polvo rico en carbono denominado biochar. Cuando ese material sustituyó el 10% del cemento, el hormigón alcanzó después de 91 días una resistencia a la compresión un 21% superior y una resistencia a la flexión hasta un 42% mayor que la mezcla convencional utilizada como referencia.

No son heces mezcladas con cemento: primero se convierten en biochar

La diferencia parece obvia, pero cambia por completo la historia. Nadie está proponiendo vaciar una fosa séptica dentro de una hormigonera. El material utilizado procede de lodos fecales previamente tratados en instalaciones de saneamiento y sometidos después a un proceso bastante más sofisticado.

Los investigadores trabajaron con biochar obtenido a partir de residuos procedentes de una planta de tratamiento de Warangal, en India. Los lodos se secaron y posteriormente se calentaron aproximadamente entre 350 y 450 grados centígrados en un ambiente con poco oxígeno. Eso es la pirólisis.

El proceso destruye buena parte de la materia orgánica original y deja un material carbonoso, oscuro y poroso. Después se muele y se tamiza hasta convertirlo en un polvo fino que puede incorporarse a una mezcla cementicia. El resultado, a simple vista, tiene poco que ver con aquello que llegó a la planta de saneamiento.

El trabajo, dirigido por el ingeniero civil Raghuvesh Tiwari, de la Universidad de Manipal Jaipur, ensayó tres proporciones. El biochar sustituyó respectivamente un 5%, un 10% y un 15% del cemento empleado en diferentes muestras de hormigón.

Después vino lo menos vistoso y más importante: esperar. El hormigón no cuenta toda su historia el primer día. Las probetas fueron analizadas durante su curado para medir resistencia, porosidad, absorción de agua, contracción y cambios en su estructura microscópica.

El 10% produjo el resultado que ha llamado la atención

Los resultados más llamativos aparecieron a los 91 días de curado. Con una sustitución del 5%, la resistencia a compresión aumentó alrededor de un 20%, mientras que la resistencia a flexión mejoró aproximadamente un 36% respecto al hormigón convencional.

Al llegar al 10%, las cifras fueron todavía mayores: 21% más de resistencia a la compresión y 42% más de resistencia a la flexión.

Ahí nace el titular que ha recorrido internet. Pero decir simplemente que las heces producen un hormigón un 42% más fuerte mezcla dos conceptos distintos. Ese 42% corresponde concretamente a la resistencia a flexión, es decir, la capacidad del material para soportar esfuerzos que intentan doblarlo. La mejora medida frente a fuerzas que lo comprimen fue del 21%.

Compresión y flexión no cuentan exactamente la misma historia

Un pilar soporta sobre todo cargas que lo comprimen. Una losa o una viga también debe enfrentarse a esfuerzos que intentan curvarla. De ahí que los ingenieros estudien por separado distintas propiedades mecánicas del hormigón.

La resistencia a compresión mide cuánto puede soportar el material antes de aplastarse o fracturarse bajo una carga. La resistencia a flexión indica hasta qué punto aguanta tensiones asociadas a la curvatura.

Que ambas mejorasen en las proporciones analizadas es precisamente lo interesante. No apareció únicamente una ventaja aislada mientras otra propiedad importante se desplomaba.

También se estudiaron la absorción de agua y la porosidad, dos factores relacionados con la durabilidad. En algunas de las mezclas con cantidades moderadas de biochar, los resultados fueron comparables o mejores que los obtenidos con el hormigón de referencia.

Por qué un residuo poroso puede terminar reforzando el hormigón

Aquí llega la aparente paradoja. Sustituir cemento por una sustancia producida a partir de residuos podría sonar, de entrada, a diluir el ingrediente que mantiene unido el hormigón. Pero a pequeña escala ocurren varios procesos al mismo tiempo.

El biochar posee una estructura plagada de poros microscópicos. Durante la preparación puede retener parte del agua y liberarla lentamente mientras el cemento se hidrata y endurece. Funciona, simplificando mucho, como una diminuta reserva de humedad repartida por la mezcla.

Ese fenómeno de curado interno puede favorecer las reacciones químicas que forman la matriz endurecida del cemento.

El tamaño de las partículas también cuenta. Un polvo suficientemente fino puede introducirse en huecos que de otro modo quedarían vacíos entre los componentes de la mezcla. Es algo parecido a echar arena entre un montón de piedras: los pequeños granos ocupan parte del espacio libre y el conjunto termina más compacto.

La química también entra en juego

El material estudiado contiene compuestos de sílice capaces de intervenir en las denominadas reacciones puzolánicas. Dicho sin traje de laboratorio: algunos componentes reaccionan con productos generados durante la hidratación del cemento y pueden favorecer la aparición de nuevos compuestos cementantes.

Los análisis microscópicos realizados por los investigadores apuntan precisamente hacia una matriz más densa y mejor conectada en las dosificaciones que ofrecieron mejores resultados.

No existe, por tanto, ninguna propiedad misteriosa de los excrementos. Lo relevante está en aquello en lo que se transforman después de someterlos a temperatura, molienda y control de partículas.

La química suele arruinar los mejores chistes.

Más biochar no significa fabricar un hormigón cada vez mejor

Si un 5% funciona y un 10% también, sería tentador pensar que basta con seguir aumentando la dosis. El experimento dice lo contrario.

Cuando la sustitución alcanzó el 15%, las ventajas mecánicas dejaron de evolucionar como en las mezclas anteriores. La microestructura presentaba más poros, fisuras y zonas con una unión menos eficaz. El equilibrio empezaba a romperse.

Tiene lógica. El cemento continúa siendo el principal aglomerante de la mezcla. Retirar demasiado puede reducir la cantidad de material capaz de generar los compuestos responsables de la cohesión del hormigón. Al mismo tiempo, una concentración elevada de partículas porosas puede introducir nuevos vacíos y dificultar una estructura homogénea.

El hallazgo, por tanto, no consiste en sustituir cemento por residuos sin límite, sino en localizar un porcentaje óptimo en el que los efectos beneficiosos del biochar compensen la reducción de cemento.

Y ese detalle importa mucho si algún día se pretende sacar el material del laboratorio.

El interés va más allá de fabricar hormigón más resistente

Hay una segunda lectura quizá menos llamativa que el 42%, pero bastante más importante a largo plazo. Fabricar cemento convencional requiere enormes cantidades de energía y libera CO₂ tanto por el combustible utilizado como por las propias transformaciones químicas de la piedra caliza.

Encontrar materiales capaces de sustituir una parte del cemento Portland sin empeorar las prestaciones se ha convertido por eso en una línea potente de investigación. Cenizas, escorias industriales, arcillas calcinadas y diferentes tipos de biochar llevan tiempo pasando por laboratorios de medio mundo.

El procedente de lodos fecales añade otro ingrediente peculiar: convierte un residuo problemático del saneamiento urbano en materia prima para la construcción.

Eso plantea una pequeña economía circular bastante literal. Algo que normalmente requiere tratamiento y eliminación podría acabar incorporado, tras su transformación, a carreteras, pavimentos o estructuras. Del váter al hormigón hay bastantes etapas intermedias, por fortuna.

No obstante, reducir un 10% el cemento de una mezcla tampoco equivale automáticamente a reducir un 10% sus emisiones. La fabricación del biochar necesita secado, pirólisis, molienda y transporte, operaciones que consumen energía. Para saber cuál sería el beneficio climático real habría que analizar todo el ciclo de vida del proceso a escala industrial.

Los lodos procedentes del saneamiento pueden contener trazas de metales pesados y otros contaminantes, de modo que transformar este residuo en material de construcción exige algo más que comprobar cuánto peso aguanta una probeta.

El estudio observó una reducción de la concentración de determinados metales en las muestras conforme aumentaba la presencia de biochar y plantea que la matriz cementicia puede ayudar a inmovilizar sustancias potencialmente nocivas.

Eso es prometedor, pero no permite dar el asunto por terminado. Una estructura puede permanecer décadas expuesta a lluvia, humedad, sales, calor, frío y degradación química. Saber cómo se comportarán esos componentes durante periodos tan largos exige ensayos específicos de lixiviación y envejecimiento.

Aquí conviene poner el freno al entusiasmo. Un buen resultado experimental no es todavía una autorización para levantar un puente.

Del laboratorio a una obra queda bastante hormigón por verter

El estudio demuestra que el concepto funciona bajo las condiciones ensayadas, pero todavía quedan preguntas importantes antes de pensar en una aplicación generalizada.

Habrá que comprobar su comportamiento durante años, especialmente ante ciclos de hielo y deshielo, ambientes salinos, temperaturas extremas, carbonatación y exposición prolongada al agua. También será necesario conseguir que el biochar tenga características suficientemente uniformes.

Y esto último no es trivial. Los residuos humanos cambian con la dieta, los sistemas de saneamiento, el tratamiento recibido y muchos otros factores. Un material estructural, en cambio, necesita una regularidad casi aburrida: misma composición, mismas propiedades, mismo comportamiento.

También habrá que determinar cuánto costaría producir este biochar a gran escala y si las plantas de tratamiento podrían suministrarlo con la calidad necesaria. Una cosa es elaborar unas probetas controladas; otra, alimentar diariamente una fábrica que produce miles de toneladas de hormigón.

Aun así, los resultados son suficientemente sólidos para justificar nuevos ensayos. La investigación no demuestra que las heces sean más resistentes que el cemento. Demuestra algo bastante más interesante: un residuo humano correctamente transformado puede convertirse en un ingrediente capaz de mejorar el hormigón mientras sustituye parte del cemento convencional.

Cuando un residuo empieza a parecerse a una materia prima

Durante siglos hemos construido sistemas de saneamiento precisamente para apartar los residuos humanos de nuestra vida cotidiana. La paradoja moderna es que quizá algunos de esos residuos, después de un tratamiento intenso y controlado, puedan regresar convertidos en materiales útiles.

El biochar estudiado no sustituye al hormigón ni convierte automáticamente los lodos urbanos en un material de construcción listo para vender. Tampoco ese espectacular 42% significa que todo el hormigón resultante sea un 42% más resistente en cualquier circunstancia.

Lo que sí muestra la investigación es una posibilidad concreta. Con una dosificación cercana al 10% de sustitución del cemento, el material ensayado consiguió mejorar tanto la resistencia a compresión como la flexión después de 91 días. Y con porcentajes superiores apareció el límite, recordatorio bastante oportuno de que en ciencia más no siempre significa mejor.

Una parte de aquello que tiramos por el inodoro podría acabar ayudando a fabricar hormigón. No exactamente como uno imaginaría al leer el titular, por suerte, pero la idea ya ha sobrevivido a algo bastante más exigente que una ocurrencia: las pruebas de laboratorio.