Los láseres allanan el camino para un mejor uso del cemento

Sep 02, 2023

Por Adam Hadhazy

5 de junio de 2023

Los ingenieros de la Universidad de Princeton están implementando láseres para evaluar con precisión una de las principales desventajas del cemento impreso en 3D: la resistencia del material a la fractura. Los investigadores esperan que el progreso en esta área pueda conducir a un uso más amplio de la fabricación aditiva en estructuras a base de cemento. El objetivo a largo plazo es desarrollar mejores materiales utilizando técnicas aditivas que conduzcan a diseños y funciones innovadores.

El cemento es el principal ingrediente del hormigón que constituye gran parte de la construcción moderna, incluidos edificios, carreteras, pistas, puentes y presas. En los últimos años, a medida que la impresión 3D ha demostrado ventajas en eficiencia y versatilidad, ha habido un creciente interés en aplicar la tecnología a la construcción.

Pero en comparación con el hormigón colado convencionalmente, las alternativas impresas en 3D pueden estar sujetas a grietas, especialmente en las áreas entre las diferentes capas de hormigón. Los investigadores atribuyen esto a microestructuras no uniformes introducidas por el proceso de estratificación utilizado en la impresión 3D. Los investigadores de Princeton han utilizado una nueva prueba para comprender mejor este agrietamiento a nivel microscópico. Sus hallazgos sugieren que al caracterizar adecuadamente las propiedades de fractura, el hormigón impreso en 3D podría ser tan fuerte o incluso más fuerte que el hormigón colado.

En un estudio publicado en la revista Cement and Concrete Composites, los investigadores de Princeton demuestran un nuevo método de prueba que utiliza láseres para cortar ranuras ubicadas con precisión en cementos impresos en 3D. Al controlar la potencia y la velocidad del láser, los investigadores pueden controlar características críticas como la profundidad y la forma de los surcos. Este control permite realizar pruebas mucho más precisas que los métodos convencionales.

"Ahora podemos obtener una comprensión más profunda de las propiedades de fractura de los materiales a base de cemento impresos en 3D bajo varios modos de falla, lo cual es importante para eventualmente ampliar esta tecnología", dijo Reza Moini, profesor asistente en el Departamento de Civil. e Ingeniería Ambiental en Princeton y autor principal del estudio. "Existen nuevas oportunidades para fabricar materiales más resistentes y resistentes aprovechando el diseño de la arquitectura de materiales y la libertad de fabricación que conllevan las tecnologías aditivas".

Los otros autores del estudio de Princeton, todos miembros del laboratorio de Moini, son Shashank Gupta y Arjun Prihar, ambos Ph.D. estudiantes, y Hadi Esmaeeli, ex investigador asociado.

A diferencia del hormigón colado, que se vierte en una forma y se endurece, el hormigón impreso en 3D implica una boquilla que extruye una pasta de cemento de una en una. La boquilla se mueve de un lado a otro, acumulando el hormigón hilo por hilo y eventualmente capa por capa.

Un desafío es que, durante la extrusión, tiende a formarse una película delgada rica en agua alrededor de cada hebra impresa para facilitar el flujo. Esas películas ricas en agua pueden provocar fallas internas significativas y heterogeneidades entre las hebras del material impreso en 3D, lo que contribuye a la debilidad estructural.

Los investigadores de Princeton examinaron estas interfaces con más detalle para comprender su relación con las propiedades de fractura. El equipo de investigación inicialmente fabricó y curó muestras para realizar pruebas utilizando una impresora 3D personalizada que extruía pasta de cemento. Las pruebas tradicionales generalmente implican cortar muescas en el material, a menudo con sierras circulares. Sin embargo, para estudiar las microestructuras, esas sierras pueden actuar como instrumentos romos que a menudo conducen a muescas no afiladas. Esto puede hacer que las pruebas sean difíciles e imprecisas.

En lugar de usar una herramienta física como una sierra para cortar muescas, Moini y sus colegas optaron por usar un láser de laboratorio. Su enfoque corta muescas de prueba justo donde se necesita, por ejemplo, en la interfaz entre las capas impresas.

"La ventaja de esta prueba para materiales frágiles impresos en 3D es que al usar la misma geometría de muestra, se puede capturar la resistencia al agrietamiento bajo tensión, cizallamiento o cualquier combinación de los dos", dijo Moini.

Shashank Gupta, el primer autor del artículo, enfatizó que "este enfoque puede ayudar a informar las propiedades del material a medida que los investigadores trabajan con la industria para ampliar los procesos de fabricación aditiva de concreto para aplicaciones estructurales y no estructurales".

Los estudiantes de posgrado en el laboratorio de Moini están promoviendo estos fines, investigando materiales arquitectónicos y características de fractura. Recientemente, en la convención de primavera del Instituto Americano del Concreto en San Francisco en abril, el coautor del artículo Arjun Prihar ganó un premio de póster en tercer lugar y la estudiante graduada Krystal Delnoce ganó el primer lugar. La investigación de Prihar se ha centrado en comprender la mecánica de fractura de diseños de materiales de hormigón de arquitectura sinusoidal mediante experimentos y simulación. La investigación de Delnoce se ha centrado en adaptar un nuevo método de prueba de fractura para materiales impresos en 3D mediante el desarrollo de una muesca dentro de la trayectoria.

"Nuestro trabajo está ayudando a resolver cuestiones fundamentales sobre el comportamiento de fractura del hormigón impreso en 3D", dijo Moini.

El artículo "Análisis de fractura y transporte de materiales cementosos laminares impresos en 3D heterogéneos" se publicó en la revista Cement and Concrete Composites. Además de los autores afiliados a Princeton, Rita Ghantous y Jason Weiss, ambos de la Universidad Estatal de Oregón, contribuyeron al estudio. El trabajo fue apoyado en parte por el Programa de Infraestructura Civil de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias.