A día de hoy, el sector de la construcción afronta un doble reto: responder a una crisis global de vivienda y reducir al mismo tiempo el enorme impacto ambiental de los materiales convencionales. El hormigón es el material estructural más usado del mundo, pero su componente clave, el cemento, exige hornos a muy alta temperatura y un gran consumo de energía, lo que lo convierte en una de las principales fuentes de emisiones de dióxido de carbono.

Además, el hormigón tradicional necesita largos tiempos de curado para alcanzar la resistencia necesaria, lo que retrasa las obras y encarece los proyectos. En este contexto, la impresión 3D de estructuras con morteros y hormigones especiales ha aparecido como una alternativa para construir más rápido, con diseños optimizados y menos mano de obra.

Sin embargo, muchos de los materiales impresos en 3D siguen dependiendo del cemento y requieren procesos de fraguado lentos, en torno a los 30 días. Además, suelen necesitar soportes adicionales para salvar huecos como puertas y ventanas, lo que complica y retrasa la finalización de los proyectos.

Para superar estas limitaciones, un equipo de la Oregon State University (OSU), en Estados Unidos, ha desarrollado un nuevo material imprimible en 3D que funciona como sustituto del hormigón estructural. Y lo hace consiguiendo una resistencia final de 40 megapascales, una cifra similar a la del hormigón convencional, en un tiempo máximo de entre 8 y 10 días.

Lo realmente novedoso es que este material está basado en arcilla y otros componentes de origen biológico, como el cáñamo, y mineral. La investigación, publicada en la revista Advanced Composites and Hybrid Materials, propone un sistema de construcción más rápido y sostenible que el convencional, adecuado para viviendas e infraestructuras fabricadas con grandes impresoras 3D.

¿Cómo funciona?

El material, desarrollado en colaboración con el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, el Centro Global de Innovación del Cáñamo de la OSU y la Facultad de Ingeniería, se formula combinando una serie de agregados naturales, como arcilla y arena, con fibras de cáñamo y biocarbón (carbón vegetal obtenido al calentar residuos agrícolas o de madera), junto a un aglutinante polimérico de base acrilamida.

La mezcla se extruye mediante una boquilla, superponiendo capa a capa y siguiendo trayectorias programadas, lo que permite levantar rápidamente muros, cubiertas y elementos tridimensionales complejos con muy poco desperdicio de material.

Gracias a esa mezcla de materiales, la clave de este avance está en el proceso de curado, basado en una reacción llamada polimerización frontal. En vez de depender de la hidratación lenta del cemento, el nuevo aglutinante polimérico se activa con calor y desencadena una reacción en cadena que solidifica el material casi al mismo tiempo que se imprime.

Así, el material pasa de ser una pasta informe a sólido en cuestión de minutos, no de horas o días. La impresora puede seguir depositando capas sin esperar, lo que facilita la construcción continua de muros altos y cubiertas sin necesidad de encofrados o soportes temporales.

"El material impreso tiene una resistencia constructiva de 3 megapascales inmediatamente después de la impresión, lo que permite la construcción de paredes multicapa y voladizos independientes, como tejados", afirma Devin Roach, uno de los autores del artículo y profesor adjunto de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería de la OSU.

"Supera los 17 megapascales, la resistencia requerida para el hormigón estructural residencial, en solo tres días, en comparación con los 28 días que tarda el hormigón tradicional a base de cemento", señala Roach en un comunicado de prensa de la propia universidad. Finalmente, en menos de 10 días alcanza los 40 megapascales necesarios para aguantar todas las tensiones y fuerzas del peso de los edificios.

Una apuesta sostenible

Este material imprimible diseñado para sustituir al hormigón se ha concebido con un enfoque muy centrado en la sostenibilidad. La mayor parte de su composición corresponde a agregados que pueden obtenerse en el entorno: arcillas y arenas locales, fibras de cáñamo y biocarbón producido a partir de residuos orgánicos.

Estos componentes reducen el uso de cemento, disminuyen las emisiones asociadas (que llegan al 8% a nivel global) y limitan la necesidad de transportar grandes volúmenes de material. La mezcla se ajusta cuidadosamente para equilibrar fluidez y estabilidad: debe fluir lo suficiente para pasar por la boquilla, pero mantener la forma al salir y soportar capas adicionales sin colapsar.

"Estoy increíblemente orgulloso de nuestro innovador equipo transdisciplinar por haber creado un material que puede marcar la diferencia en la vida de las personas de múltiples maneras", afirmó Roach. "Especialmente con la frecuencia de los desastres naturales, necesitamos poder construir refugios y otras estructuras rápidamente, y podemos hacerlo con un material que está fácilmente disponible y que genera relativamente pocas emisiones".

Al mismo tiempo, el propio investigador reconoce que la tecnología aún no está lista para un despliegue masivo. "Actualmente, nuestro material cuesta más que el hormigón estándar a base de cemento, por lo que necesitamos reducir el precio", afirma Roach. El principal motivo es la complejidad para procesar el aglutinante, algo que esperan solventar cuando empiecen la producción a gran escala.

Aún así, el nuevo material también debe superar otros obstáculos regulatorios para que pueda usarse en proyectos de ingeniería civil. "Antes de que pueda utilizarse, también debemos seguir las pruebas estándar de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales y preparar un informe que los ingenieros profesionales puedan revisar y aprobar si se propone su inclusión en proyectos de construcción", concluye Roach.