El equipo de la prestigiosa casa de estudios, liderado por el Dr. Reza Moini, descubrió que imitando las formaciones presentes en el hueso cortical -capa externa del fémur- es posible mejorar en hasta 5 veces la resistencia del cemento, lo que permitiría el desarrollo de hormigones con mayor durabilidad.
Aunque parezca inverosímil, la investigación de materiales inspirados en la naturaleza es un elemento clave dentro del desarrollo de hormigones más sostenibles, toda vez que este tipo de investigaciones permite diseñar mezclas del material con características que permitan, por ejemplo, mejorar atributos como su resistencia y durabilidad, como también, incorporar elementos o diseños que lleven a menores huellas de carbono en su producción.
En ese sentido, las formulaciones que se están explorando no son pocas. Sólo hace unos meses, desde la Universidad de Princeton se informaba respecto a la investigación sobre un nuevo tipo de cemento que, inspirado en las formaciones de nácar que se dan en los moluscos, resultó mucho más dúctil y resistente que el cemento portland tradicional.
“Si es posible diseñar hormigones que puedan resistir la propagación de fisuras, podemos hacerlos más fuertes, seguros y mucho más durables”, comentaba en la ocasión Shashank Gupta, candidato a doctorado en Princeton e integrante del equipo que llevó a cabo esa investigación.
De la misma casa de estudios surgió una nueva investigación que, tomando como inspiración la arquitectura ósea del cuerpo humano, desarrolló un nuevo material cementoso que posee una resistencia mayor a la del cemento tradicional y cuyo diseño arquitectónico resiste la fisuración y evitaría el colapso imprevisto de las estructuras.
Inspirándose en el diseño de nuestro sistema óseo
El equipo liderado por Reza Moini, Doctor en Ingeniería Civil de la Universidad Purdue y actualmente, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil Medioambiental en Princeton, logró demostrar que una pasta cementosa, presentada con un diseño arquitectónico tubular, puede incrementar de manera significativa la propagación de fisuras y mejorar la habilidad de deformación sin presentar fallas imprevistas en la estructura.
Para este desarrollo, los investigadores se inspiraron en la capa externa del fémur humano, conocida como hueso cortical, cuya densidad brinda una capa protectora que es resistente a la fractura y que, junto con eso, entrega resistencia. Este hueso se forma con componentes tubulares elípticos llamados osteonas, los que están incrustados débilmente en la matriz orgánica.
Este diseño arquitectónico único, asegura Shashank Gupta, candidato a Doctorado en Ingeniería Civil e integrante del equipo, desvía las fisuraciones alrededor de las osteonas y, además, evita fallas abruptas e incrementa la resistencia general a la propagación de grietas. Por este motivo, los investigadores incorporaron estas formaciones tubulares cilíndricas y elípticas en una pasta de cemento que interactúe con la propagación de fisuras.
“Utilizamos principios teóricos de la mecánica de fracturas y de la mecánica estadística para mejorar las propiedades fundamentales de los materiales a través del diseño”, dijo Gupta. “Con esta investigación, uno esperaba que el material fuese menos resistente a la fisuración cuando se incorporaron estos tubos huecos. Sin embargo, aprendimos que, al tomar ventaja de la geometría, tamaño, forma y orientación del tubo, logramos promover la interacción entre el tubo y la fractura para mejorar una propiedad de la pasta sin sacrificar otras”, explico.
Mejorando al hormigón desde el diseño arquitectónico
Durante el desarrollo de ensayos, el equipo descubrió que la interacción mejorada entre las formas tubulares y las fisuras inicia un mecanismo de endurecimiento gradual, donde la grieta primero queda atrapada en el tubo y luego retrasa su propagación, lo que lleva a una disipación energética adicional en cada interacción y paso.
“Lo que hace único a este mecanismo es que cada extensión de grieta se encuentra controlada, lo que evita fallas repentinas y catastróficas. De esta forma, en vez de fallar repentinamente, el material resiste daños progresivos, haciéndolo mucho más resistente”, subrayó Shashank Gupta.
Así, los investigadores de la Universidad de Princeton se enfocaron en incrementar la resistencia del cemento enfocándose en el diseño geométrico, más que en la incorporación de, por ejemplo, fibras o aditivos. Al manipular la estructura misma del material, se consiguieron importantes avances en resistencia sin la necesidad de otros materiales.
Junto con esto, los investigadores también desarrollaron técnicas que permiten un mayor grado de precisión en el diseño de los elementos, utilizando la robótica y la fabricación aditiva. Al aplicarlos en nuevas arquitecturas y combinaciones de materialidades duras y blandas, el equipo espera ampliar aún más las posibilidades de esta aplicación.
“Al utilizar metodologías de fabricación avanzada, como la fabricación aditiva, podemos promover el diseño de estructuras más desordenadas y mecánicamente favorables, además de permitir la ampliación de estos diseños tubulares para la construcción de componentes de infraestructuras civil con hormigón”, puntualizo el Dr. Moini.
