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Sustentabilidad

Impresión 3D de edificios utilizando arcilla como apuesta sustentable

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Los edificios impresos en 3D ya son una realidad, sin embargo los investigadores de la Universidad de Texas A&M están dando un paso más allá, revolucionando la industria de la construcción con un método para imprimir más ecológico utilizando el suelo local.

Los resultados fueron presentados en la Reunión y Exposición Virtual de Otoño de 2020 de la American Chemical Society (ACS), como una alternativa al uso del hormigón que produce una gran huella de carbono. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía la fabricación de cemento es responsable de aproximadamente el 7% de las emisiones de dióxido de carbono y es un material que no se puede reciclar. 

“Históricamente, los humanos solían construir con materiales de origen local, como adobe, pero el cambio al concreto ha planteado muchos problemas ambientales”, dice Aayushi Bajpayee, estudiante de posgrado en el laboratorio de Banerjee en la Universidad Texas A&M, quien presentó la nueva propuesta en conjunto con su equipo de trabajo.

“Nuestra idea era hacer retroceder el tiempo y encontrar una manera de adaptar los materiales de nuestros propios patios traseros como un posible reemplazo del hormigón” declara.

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Si bien, los proyectos de construcción con tecnología 3D que utilizan hormigón han mostrado el potencial de la fabricación aditiva en términos de la reducción de residuos, tiempos más rápido y económico de construcción; los materiales utilizados en el proceso deben ser también sostenibles.

Una ventaja de usar el suelo local en la construcción es que los materiales no necesitan ser  fabricados y transportados al sitio de construcción, lo que reduce los costos y el daño ambiental. 

El suelo generalmente se clasifica por las capas de materiales que comprende, comenzando con la capa orgánica superior donde crecen las plantas y terminando en el duro lecho de roca de la corteza terrestre. Debajo de la capa orgánica inicial hay arcilla, que le da al suelo su carácter plástico y moldeable que los investigadores capitalizaron en su proyecto.

Los investigadores comenzaron el proyecto recolectando muestras de suelo del patio trasero de un colega, al cual adoptaron un nuevo aditivo ecológico para que se uniera y fuera fácilmente manipulado a través de la impresora 3D. 

Debido a que los suelos varían mucho según la ubicación, su objetivo era tener un “juego de herramientas” de química que pudiera transformar cualquier tipo de suelo en material de construcción imprimible. A partir de ahí, Bajpayee construyó estructuras de prueba a pequeña escala, cubos de dos pulgadas de cada lado, para ver cómo se comportaba el material cuando se extruía en capas apiladas.

El siguiente paso fue asegurarse que la mezcla soportaba la carga, es decir, si resistía el peso de las capas, o si necesitaba de otros materiales como barras de refuerzo y aislamiento. Para ello, los investigadores fortalecieron la mezcla de arcilla “cerrando” las capas microscópicas en su superficie evitando que absorbiera el agua y se expandiera, lo que comprometería la estructura impresa. Con este método, los investigadores demostraron que el material podía contener el doble de peso que la mezcla de arcilla sin modificar.

Actualmente, el equipo planea mejorar las capacidades de carga del suelo para ampliar sus estructuras de prueba y acercarse lo más posible a un reemplazo para el concreto. Además, están recopilando datos para ver si estas estructuras impresas en 3D son tan respetuosas con el medio ambiente como imaginan, especialmente en términos de huella de carbono y potencial de reciclaje. Una vez que tengan una mejor idea de la química, la funcionalidad y la viabilidad de construir con suelos locales, planean explorar más a fondo cómo esta tecnología se puede utilizar en otros sitios.

Sustentabilidad

¿Concreto sin cemento? Esta podría ser la alternativa más sustentable

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Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokyo se encuentran desarrollando un nuevo método para producir concreto sin cemento, lo cual ayudaría a reducir las emisiones de carbono y construir edificios o estructuras resistentes en regiones desérticas, o incluso en la Luna y Marte. Así lo explicaron en un artículo publicado en la revista científica Phys.

Para lograr este nuevo método han trabajado en lo que ellos llaman “una simple reacción química”, mediante la cual unen partículas de arena utilizando únicamente alcohol y un elemento catalizador. 

Para entender mejor la relevancia de este experimento es importante destacar que el hormigón o concreto está formado por dos partes: cemento (responsable del 8% del total de las emisiones globales de CO2) y agregado (esencialmente hecho de grava y arena).

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Imagen vía Phys.org

Pese a la abundancia de arena que hay en el mundo, la industria de materiales para la construcción se enfrenta a un producción de arena para hormigón bastante limitada, ya que las partículas de este mineral deben tener una distribución de tamaño específico para que el hormigón pueda integrarse.

“En el concreto, el cemento se usa para unir arena y grava. Algunos investigadores están investigando cómo se puede reemplazar más cemento con otros materiales, como cenizas volantes y escoria de alto horno, para reducir las emisiones de CO2, pero este enfoque es insostenible porque el suministro de estos materiales están disminuyendo debido a la reducción del uso de sistemas de energía térmica y al aumento del uso de acero para hornos eléctricos ”, detalló Yuya Sakai, autor principal de la investigación.

Por esta razón, señalaron, se requiere un nuevo enfoque para producir concreto a partir de materiales inagotables y con menor carga ambiental. Con este proyecto se proponen producir tetra alcoxisilano (elemento esencial para la consolidación de materiales pétreos) a partir de arena y a través de una reacción con alcohol y un catalizador eliminando el agua, que es un subproducto de la reacción. “Nuestra idea era dejar que el agua cambie la reacción de arena a tetra alcoxisilano, para unir las partículas entre sí”, dijo Sakai.

Como parte del experimento, los científicos colocaron una taza hecha de lámina de cobre en un recipiente de reacción con arena y otros materiales pétreos. Después variaron sistemáticamente las condiciones de reacción, como las cantidades de arena, alcohol, catalizador y agente de deshidratación; la temperatura de calentamiento; y el tiempo de reacción. “Encontrar la proporción correcta de arena y productos químicos fue fundamental para obtener un producto con la resistencia suficiente” apuntaron.

“Obtuvimos productos suficientemente fuertes con, por ejemplo, arena de sílice, perlas de vidrio, arena del desierto y arena de luna simulada“, comentó el segundo autor a cargo, Ahmad Farahani. 

Estos hallazgos pueden promover un movimiento hacia una industria de la construcción más ecológica y económica en cualquier lugar de la Tierra. Nuestra técnica no requiere partículas de arena específicas utilizadas en la construcción convencional. Esto también ayudará a abordar los problemas del cambio climático y el desarrollo espacial”, afirmó.

Además, es probable que el producto tenga una mayor durabilidad que el hormigón convencional porque la pasta de cemento  no está incluida en el producto. Esto porque  es relativamente débil contra el “ataque químico” y presenta grandes cambios de volumen debido a la temperatura y la humedad.

Los resultado de este trabajo serán publicados en Seisan Kenkyu, vol. 75, 2021 bajo el título “Producción de masa endurecida mediante unión directa de partículas de arena”.

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