Inspirándose en la naturaleza, los investigadores de ingeniería de Princeton han mejorado la resistencia a las grietas en componentes de hormigón combinando diseños arquitectónicos con procesos de fabricación aditiva y robots industriales que pueden controlar con precisión la deposición del material.
En un artículo publicado el 29 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturalezaLos investigadores, dirigidos por Raza Moini, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Princeton, describen cómo sus diseños aumentaron la resistencia al agrietamiento en un 63 por ciento en comparación con el hormigón moldeado convencional.
Los investigadores se inspiraron en la estructura de doble hélice que forma las escamas de un antiguo linaje de peces llamado celacantos. La naturaleza a menudo utiliza una arquitectura inteligente para mejorar mutuamente las propiedades de los materiales, como la resistencia y la resistencia a las fracturas, dijo Moeny.
Para producir estas propiedades mecánicas, los investigadores propusieron un diseño que organiza el hormigón en tiras individuales en tres dimensiones. El diseño utiliza fabricación aditiva robótica para conectar débilmente cada hilo con su vecino. Los investigadores combinaron muchas pilas de hilos en grandes formas funcionales, como vigas, utilizando varios esquemas de diseño. Los esquemas de diseño se basan en cambiar ligeramente la orientación de cada pila para crear una configuración de doble hélice (dos capas ortogonales torcidas en altura) en las vigas, lo cual es clave para mejorar la resistencia del material a la propagación de grietas.
El artículo se refiere a la resistencia del núcleo en la propagación de grietas como un “mecanismo de endurecimiento”. La técnica, detallada en el artículo de la revista, se basa en una combinación de mecanismos que pueden evitar que las grietas se propaguen, sellar las superficies fracturadas o enderezar las grietas después de que se forman, dijo Moeny.
Shashank Gupta, estudiante de posgrado de Princeton y coautor del trabajo, dijo que a veces se requiere el uso de robots para crear materiales estructurales de hormigón con la alta fidelidad geométrica requerida a gran escala en la construcción de componentes como vigas y columnas. Esto se debe a que puede resultar muy difícil crear disposiciones internas específicas de materiales para aplicaciones estructurales sin la automatización y precisión de la fabricación robótica disponible actualmente. La fabricación aditiva, en la que un robot añade material hebra por hebra para crear una estructura, permite a los diseñadores explorar arquitecturas complejas que no son posibles con los métodos de fundición tradicionales. En el laboratorio de Moini, los investigadores utilizan grandes robots industriales integrados con procesamiento avanzado de materiales en tiempo real para crear componentes estructurales de tamaño completo que también sean estéticamente agradables.
Como parte del trabajo, los investigadores también desarrollaron una solución personalizada para superar la tendencia del hormigón fresco a combarse por su propio peso. Cuando un robot recoge hormigón para formar una estructura, el peso de las capas superiores puede hacer que el hormigón subyacente se deforme, comprometiendo la precisión geométrica de la estructura construida resultante. Para solucionar este problema, los investigadores se propusieron controlar mejor la velocidad de endurecimiento del hormigón para evitar la deformación durante la fabricación. Utilizaron un innovador sistema de emisión de dos componentes aplicado a la boquilla del robot en el laboratorio, dijo Gupta, quien dirigió los esfuerzos de emisión del estudio. El sistema robótico especializado tiene dos entradas: una para el hormigón y otra para el acelerador químico. Este material se mezcla dentro de la boquilla justo antes de la descarga, lo que permite que el acelerador acelere el proceso de limpieza del concreto al tiempo que garantiza un control preciso de la textura y minimiza el deterioro. Al calibrar con precisión la cantidad de acelerador, los investigadores lograron un mejor control sobre la estructura y una reducción de la deformación en las superficies inferiores.
