El hormigón que cambiará la construcción: detecta si tiene fallos en tiempo real para poder repararlo

El hormigón es uno de los materiales que más se utiliza en la construcción en España, y se compone principalmente por la combinación de agua con cemento y áridos, como grava, gravilla y arena; aunque ya se ha inventado uno fabricado con pañales usados y otro hecho de neumáticos usados. Sin embargo, y a pesar de ser altamente resistente, con el paso del tiempo esta mezcla se termina agrietando, lo que acaba siendo un problema. Desde hace tiempo los científicos buscan soluciones para hacer frente a esta situación y recientemente han anunciado la creación de un hormigón inteligente que detecta y corrige fallos a tiempo.

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En colaboración con la industria privada, la Universidad de Cambridge, en Reino Unido, ha desarrollado la primera pieza de infraestructura de hormigón impresa en 3D que se utilizará en un proyecto de autopistas, se fabricó en sólo una hora e incorpora una serie de sensores para que se autovigile y, en el futuro, pueda autorrepararse. Se trata de un muro de contención conocido como muro de cabecera, una estructura con un agujero que se suele colocar en la boca de un desagüe o alcantarilla y que tiene el objetivo de anclarla y evitar que el agua arrastre el relleno que la rodea. Incluso puede servir de apoyo estructural para puentes y carreteras.

Una obra de ingeniería civil muy antigua, pero los científicos de la Universidad de Cambridge han ido un paso más allá al construirla in situ en la autopista A30 de Cornualles utilizando un brazo robótico de una impresora 3D que colocaba las capas de hormigón de fraguado rápido, que se endurecían en tan sólo una hora. La gran novedad aquí es la incorporación de sensores y, a la vez que se imprimía el muro, una unidad LiDAR escaneaba con precisión la estructura y creaba un gemelo virtual digital que podría ayudar a detectar y corregir fallos en el muro antes de que se produzcan.

Datos en tiempo real

Uno de los grandes secretos de este nuevo muro de hormigón impreso en 3D, que se creó en tan sólo una hora y que mide dos metros de alto y tres y medio de ancho, es que los científicos añadieron a la estructura una serie de sensores, diseñados por la propia Universidad de Cambridge. Estos proporcionan mediciones actualizadas y en tiempo real de la temperatura, deformación, presión, humedad, resistividad eléctrica y potencial electroquímico.

Unos datos que ofrecen información valiosa sobre la fiabilidad, robustez, precisión y longevidad de los sensores. En los últimos seis años, el equipo del profesor Abir Al-Tabbaa, del Departamento de Ingeniería, ha estado desarrollando nuevas tecnologías de sensores y explorando la eficacia de los sensores comerciales existentes para obtener información de mejor calidad de las infraestructuras. Además, han llegado a desarrollar varios hormigones inteligentes autorreparables. 

Pero para este proyecto, dicho equipo suministró sensores para medir la temperatura durante el proceso de impresión. Una tarea que era realmente importante, ya que el hormigón de fraguado rápido genera mucho calor, lo que podría dañar el muro de contención al endurecerse y curarse. Las variaciones de temperatura en las distintas capas del muro impreso en 3D se controlaron continuamente con el objetivo de detectar posibles puntos calientes, gradientes térmicos o anomalías.

Luego los datos se correlacionaron con el perfil de imagen térmica correspondiente para comprender el comportamiento térmico de la estructura. "Como para la impresión 3D se necesita un cemento de fraguado extremadamente rápido, también se genera una enorme cantidad de calor. En esta ocasión incrustamos nuestros sensores en el muro para medir la temperatura durante la construcción, y ahora estamos obteniendo datos de ellos mientras el muro está in situ", explica el profesor Abir Al-Tabbaa en un comunicado oficial 

Una impresora 3D imprimiendo el hormigón inteligente. Universidad de Cambridge Omicrono

Durante la fabricación de esta estructura también se utilizó el ya mencionado sistema LiDAR para escanear el muro mientras se imprimía, crear una nube de puntos en 3D y generar un gemelo digital del muro. "Digitalizar el muro significa que puede hablar por sí mismo. Y podemos utilizar nuestros sensores para comprender mejor estas estructuras impresas en 3D y acelerar su aceptación en la industria", señala Abir Al-Tabbaa.

El equipo de científicos de la universidad también desarrolló un tipo de sensor, conocido como PZT (piezocerámico de plomo-circonato-titanato), que puede controlar la salud de la estructura. En total incrustaron ocho de ellos dentro de las capas del muro en distintas posiciones durante el proceso de impresión 3D para captar la presencia de cargas y deformaciones, tanto durante el proceso de construcción como durante la vida útil tras la instalación sobre el terreno. El equipo también creó un sistema inalámbrico de adquisición de datos a medida.

Estructuras más seguras

Este muro de contención con cemento inteligente se imprimió en Gloucestershire, en la sede de la empresa de ingeniería avanzada Versarien, con una impresora de hormigón basada en un brazo robótico. Gracias a esta técnica, el equipo de la universidad pudo diseñar y construir un muro hueco y curvo sin encofrado ni armadura de acero. En su lugar se basa en su geometría para obtener resistencia. No sólo eso, sino que la impresión 3D también ofrece un importante ahorro de costes, materiales y emisiones de carbono.

Un revolucionario material que podría hacer que las infraestructuras sean más seguras, inteligentes y sostenibles. "Este proyecto servirá de laboratorio viviente, generando datos valiosos a lo largo de su vida útil. Los datos de los sensores y el 'gemelo digital' ayudarán a los profesionales de las infraestructuras a comprender mejor cómo puede utilizarse y adaptarse la impresión 3D para imprimir materiales a base de cemento más grandes y complejos para la red estratégica de carreteras", concluye el profesor Al-Tabbaa.

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