El cemento aprende del hojaldre con una estructura laminada que multiplica por 20 su tenacidad frente a la fractura
Investigadores chinos han desarrollado un material cementicio formado por centenares de láminas y pequeñas cavidades mediante un proceso de plegado y laminado inspirado en la fabricación del hojaldre. El material alcanza una tenacidad específica frente a la fractura unas 20 veces superior a la de una pasta de cemento convencional y reduce un 68,3% su conductividad térmica. La principal novedad no está sólo en sus prestaciones, sino en conseguirlas mediante un procedimiento potencialmente escalable que funciona a temperatura ambiente.
Una técnica tan sencilla como extender, plegar y volver a extender repetidamente una masa, el mismo principio con el que se fabrican las capas de un hojaldre, puede ofrecer una nueva vía para resolver uno de los principales defectos del cemento: su fragilidad. Un equipo de investigadores de la Southeast University de Nankín ha desarrollado un material cementicio de arquitectura laminar que consigue desviar y frenar las grietas en lugar de permitir que atraviesen rápidamente la pieza y provoquen una rotura brusca. Los resultados, publicados este jueves 27 de agosto en Nature Communications, muestran una tenacidad específica frente a fractura hasta unas 20 veces superior a la de un material equivalente fabricado mediante moldeo convencional.
El trabajo aborda una paradoja bien conocida por la ingeniería civil. El cemento y el hormigón poseen una elevada resistencia a compresión y pueden soportar enormes cargas, razón por la que constituyen la base de buena parte de las infraestructuras construidas en el mundo. Su comportamiento es, sin embargo, mucho peor cuando aparecen esfuerzos de tracción y, sobre todo, cuando una grieta comienza a propagarse. Una vez iniciada, la fractura puede avanzar de forma rápida y relativamente inestable, dando lugar a un comportamiento frágil especialmente problemático ante impactos, terremotos, cargas accidentales o solicitaciones extremas. Los investigadores señalan que el refuerzo con acero, fibras o polímeros permite mejorar esa respuesta, pero no elimina completamente el problema de la baja capacidad intrínseca de la matriz cementicia para disipar energía.
La solución propuesta no consiste tanto en cambiar la composición química del cemento como en modificar su arquitectura interna. El equipo, dirigido por Yamei Zhang desde el State Key Laboratory of Engineering Materials for Major Infrastructure de la Southeast University, se fijó en la fabricación del hojaldre. En una masa de pastelería, sucesivos ciclos de extensión y plegado multiplican el número de capas, mientras una capa intermedia de grasa impide que éstas se unan completamente. Tras el horneado, el resultado es una estructura compuesta por numerosas láminas separadas por pequeños huecos.
Alginato de sodio
Los investigadores han trasladado ese concepto a un material cementicio al que denominan PPAC, por Puff Pastry Architected Cementitious Material. La pasta de cemento se formula para que durante su fase fresca tenga una consistencia suficientemente plástica como para comportarse de manera parecida a una masa. Sobre su superficie se aplica después alginato de sodio, un polisacárido barato y no tóxico obtenido de fuentes biológicas que cumple una función equivalente a la mantequilla utilizada entre las capas del hojaldre.
La elección del alginato no es casual. Los iones de calcio liberados por la propia pasta de cemento reaccionan con el compuesto y generan espontáneamente un hidrogel insoluble en agua sobre la superficie. Esa película evita que las diferentes capas de cemento se unan completamente cuando el conjunto vuelve a plegarse y laminarse.
El procedimiento se repite sucesivamente: extender, recubrir, cortar o plegar y volver a laminar. Con cada ciclo crece exponencialmente el número de capas. Los investigadores realizaron hasta siete ciclos de plegado, suficientes para generar una arquitectura interna altamente ordenada formada por láminas paralelas de material cementicio separadas por interfaces débiles y cavidades microscópicas. Todo el procedimiento se realiza en condiciones ambientales, sin necesidad de congelación, prensado en caliente ni tratamientos térmicos.
Aquí reside buena parte de la importancia del trabajo. La ingeniería de materiales lleva años investigando estructuras inspiradas en sistemas naturales como el nácar, los huesos, las escamas de los peces o el bambú, capaces de combinar materiales relativamente rígidos con interfaces que absorben energía y detienen las fracturas. Se han obtenido resultados muy elevados en materiales cementicios mediante impresión 3D, congelación dirigida, prensado en caliente, corte por láser o moldes especiales. El inconveniente es que muchos de estos procedimientos son caros, lentos, consumen mucha energía o resultan difíciles de trasladar desde una pequeña muestra de laboratorio hasta un elemento constructivo de tamaño real.
Proceso industrializable
El sistema inspirado en el hojaldre pretende superar precisamente ese obstáculo. La técnica no necesita equipos especialmente complejos y los autores aseguran haber comprobado su capacidad para fabricar piezas de mayores dimensiones y geometrías distintas. La posibilidad de industrializar el proceso sigue necesitando desarrollo, pero el método tiene una ventaja fundamental frente a otras soluciones experimentales: conceptualmente se parece más a un proceso de laminación continua que a una fabricación pieza por pieza.
La mejora mecánica se entiende observando qué sucede cuando aparece una grieta. En una pasta de cemento convencional, la fractura tiende a encontrar un camino relativamente directo a través del material. En el PPAC, en cambio, la grieta alcanza sucesivamente las interfaces existentes entre las láminas. En lugar de continuar recta, debe desviarse, cambiar de dirección, recorrer un camino más largo o propagarse parcialmente a lo largo de la interfaz.
Cada una de estas desviaciones consume energía. Además, las interrupciones existentes en la película de hidrogel permiten que determinadas zonas de cemento de dos capas contiguas permanezcan conectadas, generando una especie de enclavamiento mecánico entre ellas. El resultado es que la pieza no se rompe de manera instantánea al alcanzar la carga máxima, sino que desarrolla una fractura progresiva en diferentes etapas. En los ensayos de flexión a tres puntos, las muestras sometidas a siete ciclos de plegado presentaron sucesivas caídas y recuperaciones de carga antes del fallo final, un comportamiento muy diferente de la rotura abrupta observada en las piezas de cemento moldeadas convencionalmente.
Esta diferencia permite precisar uno de los datos más llamativos del estudio. Los investigadores no afirman que el nuevo cemento sea simplemente «20 veces más resistente», expresión que podría inducir a pensar en su resistencia a compresión. Lo que aumenta aproximadamente veinte veces es su tenacidad específica frente a la fractura, es decir, su capacidad de resistir la propagación de una grieta teniendo en cuenta la densidad del material.
Tenacidad y resistencia a la flexión
El valor máximo obtenido alcanza 91 MPa·mm^0,5 por unidad de densidad, aproximadamente veinte veces el de la muestra equivalente fabricada mediante colado convencional. Según los autores, esta tenacidad específica supera la de materiales cementicios reforzados convencionalmente con acero o fibras y comienza a aproximarse a la de determinados polímeros y cerámicas técnicas. Al mismo tiempo, el material mantiene una resistencia específica a flexión comparable a la del cemento convencional utilizado como referencia.
La arquitectura de hojaldre produce además un segundo efecto potencialmente importante para la construcción: mejora considerablemente el aislamiento térmico. A medida que el hidrogel situado entre las capas pierde agua durante el secado y la hidratación del cemento, deja detrás pequeñas cavidades planas. Estas discontinuidades dificultan la transmisión del calor de una lámina a otra de una forma similar a las cámaras de aire empleadas en numerosos sistemas aislantes. La conductividad térmica medida por el equipo disminuyó hasta 0,38 W/m·K, un 68,3% menos que en la muestra de cemento moldeado empleada como referencia. Los investigadores aseguran que el resultado es incluso inferior al de algunos materiales cementicios ligeros de densidad comparable.
La combinación es particularmente interesante porque existe normalmente un compromiso entre aislamiento y propiedades mecánicas. Introducir poros en un material cementicio reduce su densidad y dificulta la transmisión de calor, pero suele disminuir también su resistencia. Los hormigones celulares y otros materiales ligeros son buenos ejemplos: pueden proporcionar una mejora térmica importante, pero no siempre resultan adecuados para desempeñar simultáneamente funciones estructurales exigentes. La estructura laminar pretende conseguir las dos propiedades mediante la geometría interna del material: las cavidades interrumpen la transmisión térmica mientras las interfaces obligan a las grietas a disipar mucha más energía antes de atravesar la pieza.
Esto abre, al menos teóricamente, posibilidades para elementos constructivos en los que la capacidad mecánica y el comportamiento térmico deban coexistir. Un material cementicio que dificulte la propagación de grietas y reduzca simultáneamente la transmisión de calor podría contribuir tanto a aumentar la resiliencia de determinados componentes como a reducir las necesidades energéticas de los edificios.
El reto es aplicarlo a estructuras reales
Pero el estudio está todavía lejos de significar que las estructuras de hormigón puedan comenzar a fabricarse como un hojaldre. El material ensayado es fundamentalmente un material cementicio arquitectado a escala experimental, no un hormigón estructural convencional formado por cemento, agua y grandes cantidades de áridos. Trasladar los resultados a vigas, pilares, losas o elementos prefabricados de dimensiones reales exigirá comprobar cómo afectan los áridos, las armaduras, el escalado industrial y las condiciones de obra a la arquitectura laminar.
También deberán estudiarse cuestiones esenciales para cualquier aplicación estructural: comportamiento a compresión y cortante, fatiga, fluencia y retracción, resistencia al fuego, penetración de agua y cloruros, ciclos hielo-deshielo, carbonatación, compatibilidad con armaduras y durabilidad de las interfaces durante décadas. Una arquitectura diseñada deliberadamente con zonas débiles para desviar una grieta puede proporcionar una enorme ventaja frente a la fractura, pero esas mismas discontinuidades deben demostrar que no crean vías preferentes para la entrada de agua o agentes agresivos.
Los propios autores presentan por ello el desarrollo como una vía para futuros materiales de infraestructura y no como un producto terminado. Su principal aportación puede estar, de hecho, tanto en el método de fabricación como en las cifras obtenidas. Frente a técnicas de materiales arquitectados basadas en impresión 3D, congelación, vacío o tratamientos térmicos, el nuevo procedimiento utiliza una secuencia mecánica sencilla y trabaja enteramente a temperatura ambiente, dos características fundamentales si algún día pretende producirse a escala industrial.
