Mezclas cementicias para impresión 3D, un aporte para las construcciones del mañana

Armando Vargas López, estudiante de Maestría en Ingeniería Civil. Crédito: Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería.

La construcción de edificaciones que utilizan tecnologías de impresión 3D es una práctica cada vez más aceptada dentro de la industria, debido a la reducción de costos y riesgos asociados a la mano de obra y materiales. Sin embargo, dicha tecnología todavía se enfrenta a grandes desafíos, pues el uso de materiales no convencionales para la construcción implica otras variantes a considerar para asegurar la perdurabilidad y resistencia de las construcciones. Una investigación  propone solucionar esta problemática, enmarcándose en un proyecto donde participan dos unidades académicas de la Facultad de Ingeniería, Ingeniería Civil e Ingeniería de Materiales, y busca llevar infraestructura a la zona rural del departamento del Cauca.   

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El fenómeno de retracción-contracción y la búsqueda de una mezcla más resistente para impresión 3D  

Como resultado de trabajos realizados en su época de pregrado, en el año 2022 Armando Vargas López, ingeniero civil de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle, tuvo la oportunidad de poner sus conocimientos al servicio de la comunidad, al hacer parte de un proyecto que buscaba llevar viviendas hechas a partir de impresión 3D para la zona rural del municipio de Cauca. Dicho proyecto, financiado por el Sistema General de Regalías bajo el nombre de “Desarrollo de un sistema de impresión 3D de materiales no-convencionales sostenibles para el avance de la infraestructura rural del Departamento del Cauca” y liderado por el profesor e investigador de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática Daniel Gómez Pizano, fue la ocasión ideal para que el investigador Vargas López contribuyera desde su área de experticia en materiales compuestos, a propósito de la Maestría en Ingeniería Civil que actualmente cursa en la Universidad del Valle.  

El investigador hace parte del Grupo de Investigación de Materiales Compuestos (GMC), y su investigación, que cuenta con la dirección del profesor e investigador adscrito a la Escuela de Ingeniería de Materiales, Rafael Andrés Robayo Salazar, y la codirección de la profesora e investigadora de la misma unidad académica, Ruby Mejía de Gutiérrez, tiene como objetivo disminuir los efectos de agrietamiento en mezclas cementicias, a partir de la incorporación de agregados finos y fibras de polipropileno a una base de cemento Portland (OPC).  

Esta necesidad de crear un material más resistente se debe a que los elementos construidos a partir de impresión 3D están especialmente expuestos a un fenómeno, que contribuye a su vez a originar tales agrietamientos: la contracción-retracción. Este fenómeno se da debido, principalmente, a la pérdida de humedad del concreto durante el proceso de curado que puede generar tensiones internas que resultan en grietas. 

“En ambientes naturales de construcción tradicional, como la mezcla cuenta con agregados (grava, arena), estos ocupan espacio en la mezcla de concreto, reduciendo la cantidad de pasta de cemento que se contrae al secarse, y actúan como refuerzos dentro de la matriz de cemento, ayudando a distribuir las tensiones internas de manera más uniforme. En cambio, con elementos impresos, al estar hechos mayoritariamente de una pasta compuesta de cemento y agua, no hay una cantidad mínima de agregados que cumpla esta función de barrera”, explica el investigador Armando Vargas López, “y el problema de los elementos impresos en 3D es que, debido a las limitaciones del diámetro de la boquilla, no se pueden utilizar agregados muy gruesos, como la grava”. El investigador agrega que la inclusión de las fibras de polipropileno, de seis milímetros de largo, tiene como objetivo ayudar en la transferencia de dicha energía, disipando la tensión producida al interior de la mezcla por la contracción del material, con lo cual se pueda controlar el fenómeno de contracción-retracción.  

Abordar esta problemática resulta fundamental para el bienestar y la estabilidad de las edificaciones, pues de no contar con este tipo de refuerzos a nivel de las mezclas utilizadas para la impresión 3D, estas pueden verse comprometidas a nivel estructural.  

Además de las fibras de polipropileno, la investigación ha planteado el uso de dos grupos de adiciones: el primero, del tipo suplementario, están compuestas por el metacaolín (MK), el microsílice (MS) y el carbonato de calcio (CaCO₃), que se utilizaron para mejorar las propiedades de la mezcla cementicia, de manera tal que tuviera la fluidez necesaria para ser tratada a través del sistema de impresión, en este caso un émbolo de pistón; el segundo utilizó residuos de construcciones (cerámicas, ladrillos y concreto), resultantes de construcciones hechas anteriormente en distintas zonas de la región, con el fin de darles un aprovechamiento. Estos se seleccionaron teniendo en cuenta que en la zona a donde va dirigido el proyecto de regalías del que hace parte esta investigación, que está más enfocada hacia el uso del suelo de esta región, también es común encontrar este tipo de residuos.  

Impresora 3D utilizada para la creación de estructuras hechas con la mezcla para construcción desarrollada. Crédito: archivo del investigador.

 

Comprobando la resistencia de esta nueva mezcla  

El trabajo de investigación se dividió en estas fases: en la primera se realizó una revisión bibliográfica y de antecedentes de investigación, que resultó en hallazgos de 2566 artículos relacionados con la impresión 3D de concreto, lo que es un ejemplo del creciente interés de estas experimentaciones en los últimos años. Después de esto, se procedió a caracterizar las materias primas a trabajar. Luego, se obtuvieron las mezclas óptimas mediante ensayos en estado fresco (mini slump, índice de fluidez y edificabilidad) y en estado endurecido (resistencia a la compresión), evaluando las mezclas de pasta, micro-concreto (pasta+arena) y micro-concretos fibroreforzados (pasta+arena+fibra). Los porcentajes de fibra de polipropileno utilizados fueron de 0,5%, 0,75% y 1% en volumen, con el fin de obtener impresiones sin que la boquilla de la impresora se obstruyera por la aglomeración de dicho material en el proceso.   

Los resultados fueron prometedores. “Se notó sustancialmente que la adición de la fibra de polipropileno ayuda a disminuir los efectos de este fenómeno de retracción-contracción”, comenta el investigador Armando López Vargas, y explica que aquellas muestras que contaban con fibras no habían presentado grietas hasta el momento actual de la investigación, seis meses después de su fabricación.  

 Usos e impacto para la región  

Para el investigador López Vargas, aunque la tecnología utilizada para la impresión de construcciones a partir de impresión 3D es relativamente nueva, su revisión del estado del arte hasta el momento, sumada a los beneficios en términos económicos y de pérdida de materias primas, permite prever un futuro en el que este tipo de métodos sean la base para construcciones de distintas dimensiones. Según él, ya el sector industrial empieza a dar señales de interés: “Ya se ha visto, aquí en Colombia, que empresas como Argos y Conconcreto cuentan con impresoras 3D de concreto de gran tamaño, y ya existe un prototipo, la Casa Origami, desarrollada por Conconcreto en Medellín. Por otro lado, Sika, una empresa muy importante en Colombia que fabrica aditivos, ya vende materiales para impresión 3D. Esta tecnología tiene demasiado potencial, pese a que todavía está empezando, y queda mucho camino por investigar”. 

Ahora que la investigación ha dado como resultado las mezclas cementicias esperadas, queda realizar un prototipo a escala de laboratorio de una casa. Cabe anotar que otros investigadores del grupo de investigación GMC trabajan en otros tipos de mezclas, particularmente en suelos, arcillas y materiales no-convencionales, procurando reducir al máximo el contenido de cemento Portland en el material impreso. En la actualidad, el investigador López Vargas ha impreso elementos que le permiten ratificar el éxito de su investigación, objetos con geometrías complejas que le apuntan a seguir contribuyendo a la mejora de las propiedades mecánicas de este tipo de construcciones en el futuro. 

Figura geométrica creada a partir de mezcla para impresión 3D. Formas como estas permiten luego la adición de refuerzos en la estructura final de la casa. Crédito: archivo del investigador.

Si le interesa contactar al estudiante de maestría o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.