Después del agua, el cemento es la sustancia más utilizada en el planeta Tierra. Sus usos son múltiples, principalmente en la industria de la construcción, pero no deben ocultar los enormes peligros para el medioambiente y la salud humana que implica, ya que es el responsable del 8% de los gases de efecto invernadero y afecta al rendimiento de los cultivos y al caudal de los ríos, entre otras cosas. Por eso, científicos, arquitectos e ingenieros de todo el mundo, España incluida, están intentando desarrollar nuevas mezclas con diferentes ingredientes, para hacerlo más ecológico, resistente y barato.  

Eso es lo que pretenden los responsables de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich y su departamento Digital Building Technologies (DBT), que busca desarrollar soluciones tecnológicas y nuevos materiales para descarbonizar la industria de la construcción. Una de sus últimas aportaciones, en colaboración con la empresa FenX, es la impresión 3D de una espuma mineral sin cemento, fabricada a partir de residuos reciclados y usada para construir muros "monolíticos, ligeros y aislados". 

Detrás de esta investigación está el arquitecto Patrick Bedarf, cuya labor investigadora se ha centrado en reducir la cantidad de material, mano de obra y costes necesarios para fabricar piezas a medida para todo tipo de edificios. Apostando por la fabricación sin molde mediante la impresión 3D a gran escala y materiales porosos con diferentes densidades, puede conseguir aislamiento y resistencia donde más se necesita, reduciendo el consumo (y, por tanto, el gasto) de energía para calentar una vivienda.

El aspecto final de Airlements Patrick Bedarf / EHT Zürich Omicrono

Para demostrar la eficacia de este nuevo tipo de material, Bedarf y su equipo presentaron hace unos meses la instalación Airlements, formada por cuatro piezas ensambladas hasta formar una columna de 2 metros de altura. Al estar hueca y fabricada con un sólo material, puede reutilizarse y reciclarse fácilmente para nuevos usos, una de las grandes ventajas que ofrece este revolucionario material.

Sin cemento

La industria de la construcción necesita urgentemente encontrar sustitutos al cemento, por su decisiva contribución al cambio climático, además de otros perjuicios que causa al medioambiente. Como sustitutos del cemento se suelen usar diversos aglutinantes, como geopolímeros, resinas y adhesivos inducidos por alta presión, pero también materiales inspirados en la naturaleza o el hormigón que utiliza vidrio molido para ser más fuerte y duradero.

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En concreto, el material de FenX se obtiene a partir de "una amplia selección de residuos minerales y materiales naturales de bajo valor añadido de origen local y fácil acceso", como las cenizas volantes que se obtienen en las grandes centrales termoeléctricas y los altos hornos industriales. A partir de una mezcla patentada, la compañía suiza obtiene espumas minerales sin cemento, con una menor huella de carbono que las espumas de hormigón o plástico y con propiedades únicas que permiten su utilización con técnicas de impresión 3D.

"Este material ya ha pasado por el primer ciclo y puede reciclarse fácilmente después de su uso", señala Bedarf en un comunicado de prensa de la propia EHT de Zúrich. "El material puede reutilizarse ahora como una nueva espuma". Lo hace por medio de la técnica de la extrusión, sin necesidad de moldes ni las condiciones habituales de fraguado, que suelen implicar un elevado gasto de energía.

Airlements, el material aislante que puede sustituir al cemento

El sistema robótico de impresión en 3D desarrollado por este inquieto arquitecto ocupa prácticamente todo el laboratorio del DBT. Además de cámaras de mezcla flexibles para garantizar una mezcla óptima de las materias primas, dispone de unos brazos robóticos colgados del techo con cabezales de impresión que van aplicando el material en capas siguiendo un diseño digital previo. 

"Los robots pueden desplazarse con precisión hasta cualquier punto predefinido de la sala", explica Bedarf. "Programamos la trayectoria pertinente y especificamos por dónde se desplazan y a qué velocidad, así como la cantidad de material que debe fluir del cabezal de impresión, y en qué momento y lugar". Así se consigue una gran precisión y se convierte en una técnica que abre la puerta a ensamblar columnas y muros prefabricados a medida (de momento no estructurales) que luego encajen a la perfección en el edificio.

Las piezas resultantes son ligeras y se pueden obtener en distintos tamaños y formas Patrick Bedarf / EHT Zürich Omicrono

Para llevar a cabo sus primeras pruebas, Bedarf usó cemento para reforzar las piezas resultantes, pero finalmente ha conseguido fabricar piezas robustas únicamente con la espuma de FenX. El resultado son instalaciones como Airlements, que demuestra todas las posibilidades que ofrecen este novedoso material y su técnica de construcción.

Muros aislantes

Para comprobar a fondo las propiedades de la espuma y las posibilidades de la impresión 3D, Bedarf y su equipo fabricaron cuatro segmentos individuales para conseguir una columna angular monolítica de dos metros de altura. Para unirlas, se usó mortero y por último se aplicó un enlucido blanco de yeso sin cemento con una pistola de pintura.

La cámara usada para imprimir en 3D y curar el material Patrick Bedarf / EHT Zürich Omicrono

Eso abre la puerta a la prefabricación de muros interiores y exteriores con propiedades aislantes y muy fáciles de instalar. Las piezas de Airlements, cada una de 25 kg, pueden ser levantadas manualmente por un único operario para apilarlas unas encima de otras y formar así diferentes estructuras. "Las piezas se imprimen en la fábrica, se transportan al lugar de construcción y se colocan donde sea necesario", afirma Bedarf. "Para que el componente sea más robusto, el núcleo hueco puede moldearse con espuma mineral de alta densidad, lo que a la larga lo hace lo bastante resistente para actuar como estructura portante". 

Otra de las ventajas que ofrece este material tiene que ver con que todas las piezas de las que se compone Airlements se imprimieron en 3D en menos de 1 hora. El proceso de endurecimiento tuvo lugar durante una semana, con una temperatura controlada de 20 a 28 °C y una humedad relativa del 20 al 70%. Eso supone, en palabras de Bedarf, "un avance con respecto a trabajos anteriores con espumas sin cemento, que había que endurecer con cemento o curar a alta temperatura en el horno después". 

Sin embargo, los investigadores del EHT de Zúrich no se contentan con los resultados obtenidos. Ahora buscan aumentar la capacidad de carga de los elementos resultantes y la precisión de fabricación del sistema de impresión 3D. Es una apuesta decidida por la automatización, el ahorro de material y el reciclaje, aunque todavía le quede un largo camino hasta estar disponible comercialmente.

Actualmente, Bedarf y su equipo están construyendo una línea de producción específica en la fábrica de FenX en Turgi (Suiza). "Analizaremos a fondo la capacidad de carga y las propiedades aislantes para determinar cómo actúa este material como elemento de pared en una habitación cerrada. Las mediciones por infrarrojos nos ayudarán a determinar dónde podría mejorarse el aislamiento térmico y cómo eliminar los puntos débiles ajustando el recorrido de la impresión".

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