El nuevo hormigón con fibra de carbono, el remedio contra el mal tiempo que evita las grietas y socavones en la construcción

El hormigón es uno de los materiales de construcción más utilizados en España y todo el mundo, y está presente en una gran variedad de infraestructuras. En los últimos años han surgido nuevas variantes: desde uno que se endurece al instante hasta otro impreso en 3D o uno hecho a base de conchas marinas.

La última innovación en este campo pretende facilitar la construcción a los albañiles. Un grupo de investigadores chinos ha creado un nuevo hormigón reforzado con fibra de carbono (CFRC) que es especialmente resistente al hielo y a la formación de grietas, ofreciendo así un mejor comportamiento en servicio y una vida útil más prolongada de las estructuras.

En la práctica, se trata de un hormigón al que se le añade fibra de carbono en la mezcla para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción, a la flexión, al impacto y a las grietas. En el caso de este nuevo material, también aumenta de forma significativa la durabilidad bajo la exposición al cloruro y en condiciones de congelación y descongelación.

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Unas características que hacen que este nuevo material tenga un gran potencial para proteger las estructuras subterráneas, como en la construcción minera, donde el hormigón se usa ampliamente, según señalan los investigadores en su estudio publicado en la revista científica Scientific Reports.

Reforzado con fibra carbono

No cabe duda de que el hormigón continúa siendo un pilar de la construcción gracias a su alta rentabilidad, plasticidad y propiedades de adherencia y seguridad. Sin embargo, el rendimiento de este material se puede ver afectado en entornos extremos, como en la minería.

En dicha situación, las mezclas convencionales de hormigón son susceptibles a daños por los ciclos de congelación y descongelación, además de por la penetración de iones de cloruro, lo que termina provocando grietas, una degradación y una reducción de su vida útil.

Los investigadores explican que, además de ello, los costes de mantenimiento y reconstrucción en el subsuelo son extremadamente elevados. Para combatirlo, han recurrido al hormigón reforzado con fibra de carbono que, al añadir estas últimas en la matriz, refuerza varias de las características del material.

Distintos bloques hechos con el hormigón con fibra de carbono. Nature Omicrono

Por ejemplo, aumenta la resistencia, mejora la ductilidad y controla el desarrollo de grietas. Unas cualidades que son importantes para aquellas estructuras que están expuestas a tensiones mecánicas y ambientales, como las de la construcción minera.

Los investigadores han realizado una serie de pruebas para evaluar el rendimiento del hormigón reforzado con fibra de carbono. Para ello simularon condiciones de servicio rigurosas y diferentes muestras del material, con diferentes contenidos de fibra de carbono (0 %, 0,2 %, 0,4 %, 0,6 % y 0,8 %) se sometieron a ciclos repetidos de congelación-descongelación en una solución de cloruro.

Con esto lograron simular entornos subterráneos agresivos. Una de las claves de estos ensayos es que los científicos midieron el comportamiento mecánico antes y después a la exposición mediante pruebas de resistencia a la compresión uniaxial, de tracción por hendidura y análisis de tensión-deformación.

Mientras que para evaluar la respuesta del material ante cargas repentinas de alta velocidad, como pueden ser explosiones o impactos, usaron un sistema de barra de presión Split Hopkinson dividida (SHPB), que se utiliza para determinar las características de tensión y deformación del material bajo impacto dinámico.

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El objetivo de estas pruebas era determinar el contenido de fibra de carbono que ofrece el mejor equilibrio entre resistencia, ductilidad y durabilidad. Y los resultados fueron contundentes.

La resistencia a compresión aumentó a medida que se incrementó el contenido de fibra hasta el 0,4 %, con mejoras del 4,93 % para una dosificación del 0,2 % y del 15,02 % para el 0,4 %. A partir de ese umbral, el material empezó a perder prestaciones: la resistencia se redujo un 15,02 % con un 0,6 % de fibra y llegó a caer un 23,74 % cuando la dosificación alcanzó el 0,8 %.

Fibra de carbono utilizada en el hormigón. Nature Omicrono

Unos resultados que plasman que una dosis moderada de fibra de carbono aumenta la resistencia, pero que un exceso de ella puede reducir la cohesión interna y la trabajabilidad —la facilidad con la que se puede mezclar, colocar, consolidar y terminar el hormigón—.

En cuanto a la resistencia a la tracción, los resultados fueron similares, pero más prometedores. En comparación con el hormigón convencional, las muestras mostraron mejoras sustanciales en todos los niveles de fibra.

Los resultados fueron especialmente significativos: la resistencia aumentó un 41,32%, 51,12%, 46,26% y 25,42% con contenidos de fibra del 0,2%, 0,4%, 0,6% y 0,8%, respectivamente. Estas mejoras se explican por la capacidad de las fibras para puentear las microfisuras y repartir de manera más uniforme las tensiones dentro de la matriz del hormigón.

Otras ventajas

Los investigadores también realizaron pruebas dinámicas que mostraron que el hormigón reforzado con fibra de carbono cuenta con más ventajas con respecto al convencional. Por ejemplo, mostró una mayor resistencia al impacto y rigidez, incluso después de 25 ciclos de congelación-descongelación.

Un hormigón. Unsplash Omicrono

Además, demostró poseer una mayor sensibilidad a la velocidad de deformación. Esto se debe a que su factor de incremento dinámico (DIF) —la relación entre la resistencia dinámica y la estática— se mantuvo consistentemente más alto que el del hormigón tradicional, indicando una mayor resiliencia en condiciones de carga rápida.

No solo eso, el hormigón reforzado con fibra de carbono también es más resistente al estrés ambiental y es que, tras 100 ciclos, presentó una pérdida de masa del 0,90 %, frente al 1,63 % de la variante tradicional.

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Por otro lado, las inspecciones visuales revelaron un menor daño superficial en las muestras reforzadas con fibra, lo que subraya su potencial para un uso a largo plazo en entornos exigentes.

Este trabajo refuerza la idea de que el hormigón reforzado con fibra de carbono es una opción viable para mejorar el comportamiento estructural frente a condiciones ambientales exigentes.

Mirando a medio y largo plazo, será clave comprobar cómo se comporta este hormigón en servicio real, afinar los métodos de distribución de las fibras y estudiar combinaciones con otros sistemas de refuerzo.