Hormigón metamaterial: reinventando el material de construcción más utilizado

Por University of PittsburghMay 6, 2023

Arte conceptual que representa un nuevo hormigón metamaterial en uso en una carretera. Crédito: Amir Alavi vía Midjourney

Los ingenieros de la Universidad de Pittsburgh están trayendo el hormigón al siglo XXI al reinventar su diseño. El hormigón, cuyas raíces se remontan al Imperio Romano, sigue siendo el material más utilizado en la industria de la construcción.

Un nuevo estudio presenta un concepto para el desarrollo de sistemas de infraestructura civil inteligente con la introducción del hormigón metamaterial. La investigación presenta un concepto para sistemas de concreto livianos y mecánicamente ajustables con capacidades integradas de recolección y detección de energía.

"La sociedad moderna ha estado usando hormigón en la construcción durante cientos de años, siguiendo su creación original por los antiguos romanos", dijo Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Pitt, quien es el autor correspondiente del estudio. "El uso masivo de hormigón en nuestros proyectos de infraestructura implica la necesidad de desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón que sean más económicos y ambientalmente sostenibles, pero que ofrezcan funcionalidades avanzadas. Creemos que podemos lograr todos estos objetivos introduciendo un paradigma metamaterial en el desarrollo de materiales de construcción”.

Alavi and his team have previously developed self-aware metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> metamateriales y exploró su uso en aplicaciones como implantes inteligentes. Este estudio introduce el uso de metamateriales en la creación de hormigón, haciendo posible que el material sea diseñado específicamente para su propósito. Los atributos como la fragilidad, la flexibilidad y la forma se pueden ajustar en la creación del material, lo que permite a los constructores usar menos material sin sacrificar la resistencia o la longevidad.

"Este proyecto presenta el primer hormigón de metamaterial compuesto con supercompresibilidad y capacidad de recolección de energía", dijo Alavi. "Estos sistemas de concreto livianos y mecánicamente sintonizables pueden abrir una puerta al uso de concreto en diversas aplicaciones, como materiales de ingeniería de absorción de impactos en aeropuertos para ayudar a reducir la velocidad de los aviones fuera de control o sistemas de aislamiento de base sísmica".

No solo eso, sino que el material es capaz de generar electricidad. Si bien no puede producir suficiente electricidad para enviar energía a la red eléctrica, la señal generada será más que suficiente para alimentar los sensores de la carretera. Las señales eléctricas autogeneradas por el hormigón metamaterial bajo excitaciones mecánicas también se pueden utilizar para monitorear daños dentro de la estructura de hormigón o para monitorear terremotos mientras se reduce su impacto en los edificios.

Eventually, these smart structures may even power chips embedded inside roads to help self-driving cars navigate on highways when GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Las señales de GPS son demasiado débiles o LIDAR no funciona.

El material está compuesto por redes de polímeros auxéticos reforzados incrustados en una matriz de cemento conductor. La estructura compuesta induce la electrificación por contacto entre las capas cuando se activa mecánicamente. El cemento conductor, que se mejora con polvo de grafito, sirve como electrodo en el sistema. Los estudios experimentales muestran que el material puede comprimirse hasta un 15 % bajo carga cíclica y producir 330 μW de potencia.

Referencia: "Sistemas de hormigón de metamateriales integrados con nanogeneradores multifuncionales para infraestructura civil inteligente" por Kaveh Barri, Qianyun Zhang, Jake Kline, Wenyun Lu, Jianzhe Luo, Zhe Sun, Brandon E. Taylor, Steven G. Sachs, Lev Khazanovich, Zhong Lin Wang y Amir H. Alavi, 4 de febrero de 2023, Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202211027

El equipo de investigación se ha asociado con el Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT) a través del Consorcio IRISE en Pitt para desarrollar este metamaterial de hormigón para su uso en las carreteras de Pensilvania.

El proyecto incluyó a investigadores de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad Estatal de Nuevo México, el Instituto de Tecnología de Georgia, el Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing y la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt.