El hormigón es el material de construcción por excelencia y gracias a ello también corresponde a uno de los campos de investigación científica e innovación más importantes de la actualidad. En España, solo en 2019, se emplearon 14,2 millones de toneladas de cemento, material base del hormigón que luego se utiliza en la construcción de edificios, puentes o cualquier estructura que alcance cierta envergadura.

Dentro de este negocio, las compañías cementeras buscan nuevas fórmulas de abaratamiento de costes o en el diseño de nuevos formatos con características especiales. En este último aspecto han estado trabajando científicos de la Universidad Berkeley, donde han conseguido crear un hormigón menos contaminante a la par que revolucionario.

En concreto, se trata de una nueva manera de fabricar hormigón armado empleando una estructura de polímero en forma de enrejado. "Podría rivalizar con otras mejoras a base de polímeros y mejorar la ductilidad del hormigón al tiempo que reduce las emisiones de carbono", según publican los propios investigadores.

El campo de los hormigones también dio una novedad importante hace unos meses, cuando la Universidad de Swinburne anunció la creación de uno sin emplear un solo gramo de cemento. Como sustituto, utiliza un geopolímero que consigue unas especificaciones mecánicas muy similares a las del hormigón tradicional añadiendo la posibilidad de plegarse unos cuantos grados.

Impresora 3D y hormigón

Las aplicaciones de las impresoras 3D parecen no encontrar techo, no pasa una semana sin que salgan nuevos proyectos y conozcamos algunos ya bien asentados. Desde la impresión de piezas para cirugías hasta la construcción de edificios en Marte, gran parte de la tecnología más puntera pasa por este tipo de máquinas. Incluso existe una tecnología de impresión de hormigón capaz de construir puentes.

La apuesta del equipo de científicos de la Universidad de Berkeley pasa por la impresión en 3D de celosías de octetos de polímero que luego se rellenan -en un molde- de hormigón de alta resistencia. Por definición mecánica del hormigón, es un material que trabaja de forma excelente en compresión y realmente mal en flexión y tracción. Por esa razón los hormigones que van a tener cierto esfuerzo en flexión se 'arman' con cables de acero, material que absorbe ese esfuerzo sin mayores problemas, y de los que encargan los ferrallistas.

Lo que han conseguido en esta universidad estadounidense es crear un material que trabaje bien con la compresión y la flexión sin depender del acero. Todo gracias a la combinación con los polímeros que representan un campo en el que están trabajando un número importante de equipos de ingenieros de materiales de todo el mundo. Aunque tampoco es algo realmente nuevo. El empleo de fibras sintéticas lleva desde los años 60 en el mundo del hormigón, pero con un método mucho más rudimental. Simplemente consiste en echar a la mezcla una cantidad establecida de esas fibras sin poder asegurar que se disponen de forma homogénea.

El principal beneficio de la estructura en celosía es que detiene el crecimiento de la grieta antes de que se haga demasiado grande. "Las grietas son muy inteligentes. Eligen el camino de menor resistencia. Aunque en este caso, las grietas no son capaces de sobrepasar el refuerzo debido a la disposición uniforme en 3 dimensiones", ha dicho Claudia Ostertag, profesora de ingeniería civil medioambiental y coautora del estudio.

Según apuntan en el estudio, las anteriores propuestas de estructuras de polímeros se basaban en la naturaleza. Por ejemplo, en la estructura de los panales de abeja, pero seguían sin ser una solución para construcciones complejas. "Esos refuerzos eran bidimensionales, lo que limitaba mucho su capacidad para soportar diseños complejos de hormigón".

Plástico de LEGO

Mientras la estructura elegida data de principios del siglo XX, el material empleado es algo más moderno. El equipo de Berkeley probó dos tipos de plástico en sus probetas. El PLA, un polímero que se puede imprimir en 3D, y el ABS, conocido por su empleo en las piezas de los LEGO o en los cascos de moto. Sin depender del tipo empleado, "todas las muestras de hormigón reforzado con la celosía obtuvieron altos valores de densidad de deformación, lo que significa que pudieron absorber mucha energía", publican en el estudio.

Tras varias pruebas con diferente cantidad de polímero y hormigón, se dieron cuenta de que no cambiaban mucho las propiedades mecánicas. Sí apuntan a una disminución de la resistencia a compresión a medida que el volumen del hormigón era menos representativo, pero nada muy importante.

El empleo de materiales plásticos prediseñados e impresos en 3D choca de frente con el trabajo de ferrallista. Que por el momento, son los encargados de realizar toda la estructura de acero sobre la cual se vierte el hormigón para realizar el famoso hormigón armado.

Menos contaminante

En la fabricación del cemento, por pura química, se emite una cantidad enorme de dióxido de carbono a la atmósfera. Algunos estudios apuntan a que la fabricación de este material emite el 8% del total de emisiones a nivel mundial de este gas.

La propuesta de los científicos de Universidad de Berkeley pasa por aumentar el porcentaje de material de refuerzo y disminuir, en consonancia, el de hormigón. "Existe una ruta concebible hacia los polímeros que son neutrales en carbono o incluso potencialmente negativos en carbono mediante el empleo de biopolímeros, reciclaje y fuentes de energía renovables", ha apuntado Hayden Taulor, profesor asistente de ingeniería mecánica y autor del estudio.

El siguiente paso, apunta Brian Salazar, autor principal del estudio, es que el ingeniero diseñe la estructura de polímero que mejor se adapte a sus necesidades. "En el futuro, mi mayor pregunta es cómo elegir la mejor estructura de celosía para una aplicación en particular. Podría haber geometrías aún más óptimas esperando a ser encontradas".