ABSTRACTO
El árticulo presenta y describe las siguientes características del concreto utilizado en la impresión 3D: La constructabilidad, la resistencia a la compresión, la capacidad de ser extruido, de fluir, y de mantener un rito de fraguado que asegure la unión entre las capas de concreto. Se explica tambien la interacción entre dichas características y su influencia en el comportamiento del concreto. Finalmente, se presentan apreciaciones sobre la posibilidad de aplicacion de la tecnología de impresión 3D en el Perú.
1.INTRODUCCIÓN
En un mundo cambiante en el que las necesidades se tornan cada vez mas específicas y complejas, el desarrollo de la tecnologia se ha vuelto vital para su satisfacción en diferentes escalas. Es por ello que se han generado diversos estudios en los diferentes rubros cientificos e ingenieriles, los cuales han dado pie al surgimiento de la tecnologia 3D.
Esta tecnología posee la característica especial de tener un sinfín de aplicaciones debido a su versatilidad y al compromiso que han fundado en ella miles de investigadores alrededor del mundo. Un campo importante que presenta continuamente innovaciones en cuanto a usos, alcances y materiales, es la impresión con esta tecnología. Esta técnica de producción se basa en la creación de sólidos a partir de algoritmos y archivos digitales leídos por las impresoras que emanan capas sucesivas de la materia prima de acuerdo al molde digital hasta que el objeto esté terminado. Para ello se hace el uso del plástico, bioplástico y hasta productos sintéticos como materia prima, pero, no son los únicos, el cemento incursiona también en este ámbito y busca lograr un avance en técnicas constructivas que vayan a la par con la constante demanda de la industria. En este artículo, el principal objetivo será desmembrar las propiedades mecánicas vitales en el concreto usado en la impresión 3D, y entender la relación que tienen los componentes con el patrón de construcción y la implicancia que podría tener el desarrollo de esta tecnología a escala nacional.
2. CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO UTILIZADO EN MÁQUINAS DE IMPRESIÓN 3D.
En la etapa de diseño, se debe considerar que la mezcla de concreto debe cumplir con cinco caracteristicas principales: constructabilidad, resistencia a la compresion, capacidad de ser extruido, capacidad de fluir, y capacidad de mantener un ritmo de fraguado para asegurar la union entre las capas de concreto (open time).
La presente seccion del articulo detalla las caracteristicas mencionadas y su influencia en la mezcla del concreto.
2.1 Extructabilidad
La capacidad de ser extruido es una característica del concreto que consiste en la facilidad que presenta para ser impulsado, a través de válvulas y un sistema de jeringas, hacia una boquilla de menor diámetro. Asimismo, tiene una fuerte relación con el diámetro máximo de los constituyentes secos de la mezcla como la arena, agregados finos y el cemento, así como con la relación w/c. Esta propiedad ha sido medida con un sistema de jeringas con diámetros que varían entre 1cm a 2cm, similares a la boquilla de donde sale el concreto en la impresora . Es por ello que normalmente se utiliza un agregado de arena con partículas de diámetro no mayores a 0.2 cm con el fin de reducir las probabilidades de obstrucción en las tuberías y en la boquilla de impresión [Wolfs,2015].
Por otro lado, para maximizar la resistencia a la compresión, es necesario disminuir la cantidad de agua lo que reduce la relación w/c. Esto provoca que la mezcla sea más viscosa; para ello, se utiliza un superplastificante (basado en policarboxilato) para reducirla y que pueda ser extruible [Wolfs,2015].
2.2 Fluidez
Del mismo modo, la boquilla de la impresora tiene un gran impacto en la fluidez,la cual es medida con la prueba de revenimiento. Es importante asegurar esta característica para facilitar el transporte de la mezcla. A medida que el diámetro de la boquilla decrece, la fluidez tiene que aumentar. De los ensayos realizados en la investigación, se determinó que el diámetro de la boquilla óptimo es de 2 cm. Valores mayores generarán que la mezcla deje de ser trabajable, mientras que valores menores generarán segregación en el concreto [Wolfs,2015]. En este caso, también se utiliza el superplastificante para mejorar la fluidez y por ende la bombeabilidad del concreto.
El concreto necesita de esta fluidez ya que es bombeado desde el tanque, pasa por las tuberías y llega hasta la boquilla de la impresora. Además, de esta característica dependerá la continuidad y uniformidad de la capa de concreto impresa. En la Tabla 01, se muestra la variación de la relación w/c, y se observa que para mantener la fluidez y capacidad de ser extruido se aumenta el volumen del superplastificante. Es importante resaltar, que el volumen tanto del retardante como del acelerador se mantuvieron constantes en base a los resultados de ensayos previos.
2.3 Resistencia a la Compresión
Se hicieron pruebas de resistencia a la compresión de cada una de las mezclas mostradas. Como se esperaba, la mezcla 5 iba a obtener la mayor resistencia a la compresión debido a que tenía la relación w/c más baja. La resistencia obtenida resultó 55.4 MPa(564.92 kg/cm2). Mientras que la mezcla 1 (mezcla de control), 2, 3 y 4 obtuvieron 40.6 MPa(414 kg/cm2), 41.5 MPa(423.18 kg/cm2), 42.3 MPa (431.34 kg/cm2) y 43.5 MPa(443.58 kg/cm2), respectivamente. [Hamzeh,2015]. Estos valores obtenidos son mucho mayores a los f’c usados comúnmente en obra (aproximadamente el doble de la resistencia).
2.4 Constructabilidad
El método de la impresión del concreto en 3D se basa principalmente en la construcción de capas en 2D una encima de la otra, este proceso se repite hasta lograr la estructura final. Las capas (conjunto de filamentos) de concreto utilizado deben ser capaces de permanecer en su misma posición, soportar su propio peso y el de las sucesivas capas que serán posicionadas sobre las mismas (Zeina et al., 2015 ).
La constructabilidad se mide con la cantidad de capas que se pueden alcanzar sin colapsar y depende de la manejabilidad, las proporciones de la mezcla y la variación de la trabajabilidad en el tiempo[Wolfs,2015]. Para lograr esta propiedad, es necesario que las capas tengan la capacidad de resistir cargas que generen poca deformación(rigidez) sin afectar el proceso de extrusión.
El uso del superplastificante, usado para mejorar la extrusión, reduce la relación w/binder (aglutinante),lo que permite aumentar su resistencia. Cabe resaltar que el uso de dosis altas de superplastificante reduce la constructabilidad en los filamentos. La mezcla óptima, basándonos en las características previas ya determinadas se limitó a la variación del retardante y el superplastificante. Se seleccionó la mezcla 4 como la mejor, ya que con una resistencia de corte de 0.55 kPa( 0.00561 kg/cm2) podría construir 15 capas para un grupo de un filamento y hasta 34 capas para un filamento de cinco.[Le,2012]
Para proporcionarle estabilidad, además, el límite de elasticidad debe ser suficiente para sostener la carga.
2.5 Open time
Otra característica importante que tiene una relación con el tiempo de fraguado es el “open time”. Esta se determina como el periodo de tiempo en que la trabajabilidad del concreto fresco mantenga la extrusión; es decir, se define como el periodo en el que el concreto fresco es aún razonablemente trabajable .Además, se debe lograr que los filamentos inferiores se unan a los superiores de modo que se construya componentes monolíticos, que aporte la mayor fuerza de unión y que la velocidad de construcción sea compatible con la capacidad de estabilidad de la construcción.
Se analiza la extrusión y la constructabilidad para determinar el open time adecuado:
Para obtener una buena extrusión se requiere de un “open time” largo, ya que este permite beneficiar la unión entre capas; de lo contrario, el material se vuelve demasiado rígido de modo que se disminuye el caudal, por tanto, también su velocidad. Ello significa un bloqueo en la máquina en el proceso de extrusión.
En cuanto a la constructabilidad, es necesario que la resistencia de corte aumente para que las capas no se deformen; sin embargo, si esta aumenta, la trabajabilidad disminuye, lo que significa que la dificultad para imprimir un filamento aumenta.
Frente a estas necesidades distintas, se midió la trabajabilidad cada 15 minutos y se optó por utilizar un retardante formado por ácido metileno fosfónico, ácido cítrico y formaldehído. Este retardante permite mantener un “open time” suficiente para facilitar el flujo constante durante las etapas de impresión. Además se utiliza un acelerador formado por sulfúrico, sal de aluminio y dietanolamnia para controlar el fraguado.
El tiempo abierto se analizó primero con superplastificante variable y sin retardador y, en segundo lugar, con retardante variable y superplastificante al 1%. Se tomó como las proporciones adecuadas el utilizar 1% de superplastificante y un 0,5% de retardante del peso del aglutinante. Ello permite alcanzar una trabajabilidad óptima con una resistencia de corte de 0.55 kPa. El open time generado por estos aditivos es de hasta 100 minutos, lo que permite construir hasta 61 capas en una sesión sin deformación notable de las capas inferiores.
3. VENTAJAS
Una de las grandes ventajas de este tipo de fabricación de estructuras es que, en su construcción, se obvia la necesidad del uso de encofrado ya que la colocación por capa se asegura lo suficientemente resistente para no necesitar un molde de contención hasta alcanzar la resistencia mínima. La no necesidad de este, al representar un gran porcentaje del costo total de obra, generará un ahorro directo y tangible al precio final de la edificación haciéndolo más asequible y beneficiando su uso en masa. Aún más, el ahorro monetario no solo se debe a la no necesidad de encofrado, sino también a la reducción del tiempo de obra, la reducción de pérdida de materiales, eficiencia de producción y variabilidad de planificación. Como se ve en la figura 1, la construcción con concreto impreso en 3D resulta mucho más económico que el uso de estructuras prefabricadas.
Otra de las grandes ventajas de este tipo de construcción de edificaciones usando maquinarias 3D es la velocidad de producción. La figura 2 muestra un cuadro comparativo brindado por la Universidad del Sur de California, comprueba que el uso esta maquinaria aumenta la eficiencia de construcción alta reduciendo el tiempo de construcción
Aun cuando esto es claramente beneficioso, dependiendo del tipo de material utilizado como material grueso o los aditivos utilizados, el precio de la mezcla de concreto encarece. Además, el costo de implementación de la propia máquina impresora y la falta de industrialización de la misma terminará encareciendo el costo inicial de implementación. Pero el lector no deberá olvidar que usar una máquina extrusora que construya toda la edificación hará innecesaria la contratación de una ingente cantidad de mano de obra reduciéndolo a favor del uso de solo un grupo de operarios encargados del mantenimiento y operación general, reduciendo directamente el costo directo de obra.