Los composites revolucionan el sector de la construcción

Los composites o compuestos de matriz polimérica se han revelado como una de las mayores revoluciones para el sector de la construcción. Diseñadores y arquitectos han visto cómo gracias a ellos desaparecía prácticamente cualquier barrera que hasta ahora impedía ejecutar sus creaciones más futuristas.

Ventajas de los materiales compuestos

Una de las principales ventajas de los compuestos de matriz polimérica (formados por dos o más componentes que actúan en sinergia) es que son materiales que ofrecen una elevada resistencia mecánica con respecto a su densidad, en comparación con los materiales convencionales. Gracias a ello, los composites juegan con una serie de ventajas muy significativas para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, permiten obtener formas complejas con gran precisión, también tienen una excelente resistencia a la degradación y son altamente resistentes a la corrosión. Los materiales compuestos avanzados se han utilizado en los últimos 50 años en una variedad de aplicaciones con altas prestaciones: Vehículos militares, yates de lujo, grandes palas de aerogeneradores, aviones, deportes y equipos de ocio como esquís, tablas de snowboard y tablas de surf. También están empezando a ser utilizado más ampliamente en el mundo de la arquitectura, donde ofrecen un ahorro significativo de peso y capacidad para crear formas complejas que proporciona a los arquitectos mayor libertad en el diseño. Precisamente, el diseño con materiales compuestos abre un enorme abanico de posibilidades en su aplicación al sector de la construcción, como optimizar el rendimiento de la estructura mediante sencillos cambios en algunos de los constituyentes del material compuesto (tipos de resina, tipos y configuración de materiales de refuerzo, etc.).

Libertad de diseño y construcciones futuristas

Si durante los últimos 100 años los arquitectos se han limitado a la utilización de los materiales de construcción habituales en sus diseños (madera, piedra, acero, hormigón…), hoy en día los materiales compuestos están revolucionando la arquitectura. Su aplicación en el ámbito de la construcción ha permitido sustituir de forma progresiva a los materiales tradicionales y con ellos se han eliminado muchas de las barreras que se encontraban los diseñadores a la hora de llevar a cabo proyectos con diseño futurista. Hasta ahora, los composites han sido más comúnmente utilizados en estructuras secundarias o grandes estructuras autoportantes como cúpulas. Pero recientemente, algunos arquitectos e ingenieros están desarrollando soluciones más complejas para satisfacer la creatividad de algunos diseñadores y su deseo de desafiar cánones establecidos para el diseño de edificios y obras singulares. Estas aplicaciones son sólo posibles con materiales compuestos, ya que se aprovecha la combinación del bajo peso de estos materiales con su capacidad para ser moldeados en formas muy complejas. Entre las principales ventajas que ofrecen los materiales compuestos en comparación con los materiales tradicionales destacaríamos algunas:

• Alta resistencia mecánica: Los materiales compuestos son muy eficaces en su empleo como elementos que proporcionan una alta resistencia. Pueden ser diseñados para proporcionar intervalo específico de propiedades mecánicas, como resistencia a la tracción, a flexión, impacto y resistencia a la compresión. Además, las piezas de composite pueden ser fabricadas con refuerzos con una determinada orientación que proporcionen una resistencia adicional donde el diseño así lo requiera.
• Estética: Proporcionan nuevas posibilidades estéticas gracias a su capacidad de moldear formas complejas, fluidas y creativas, además de la capacidad de integrar acabados superficiales especiales y una amplia variedad de efectos, incluyendo la simulación de los materiales tradicionales.
• Resistencia a la corrosión: Los materiales compuestos no se oxidan ni se corroen. Existen multitud de sistemas de matriz polimérica que proporcionan resistencia a largo plazo para la mayoría de entornos de temperatura y ambientes químicos. Las piezas de material compuesto diseñadas correctamente tienen una larga vida útil y un mantenimiento mínimo en comparación con los materiales tradicionales de construcción.
• Ligereza: Los composites tienen una resistencia específica más alta que la mayoría de los materiales utilizados en aplicaciones similares. Éstos pueden ofrecer más fuerza por peso que la mayoría de las aleaciones de metales.
• Durabilidad: ¿Cuánto tiempo duran los composites? Hay referencias de duración de más de cincuenta años y contando. Los composites de matriz polimérica son materiales relativamente recientes en comparación con los materiales que a menudo sustituye, como el hormigón, el acero y la madera, por lo que su esperanza de vida aún no se ha alcanzado en muchos de los componentes en uso.
• Flexibilidad de diseño: Los materiales compuestos se pueden obtener con casi cualquier forma: puede ser compleja en la configuración, grande o pequeña, estructural, decorativa, o una combinación de éstas. Los composites liberan la mente de los arquitectos y diseñadores para probar nuevos conceptos, desde el prototipo hasta la producción. Debido a esta flexibilidad, piezas individuales de material compuesto pueden sustituir conjuntos de unidades complejas que requieren de múltiples elementos de fijación cuando se fabrican con materiales tradicionales como la madera, el acero y el aluminio.
• Estabilidad dimensional: Los materiales compuestos de FRP mantienen su forma y funcionalidad incluso bajo tensiones mecánicas y ambientales severas.
• Comportamiento dieléctrico: Los materiales compuestos de de matriz polimérica tienen excelentes propiedades de aislamiento eléctrico.
• Elevada temperatura de servicio: Las piezas fabricadas con la matriz polimérica y cargas adecuadas pueden comportarse muy bien en aplicaciones de alta temperatura

Composites avanzados para aplicaciones de altas prestaciones

Un material compuesto o composite está formado por la combinación de dos o más materiales de distinta naturaleza que se combinan para ofrecer propiedades superiores a las de los componentes originales. Los composites poliméricos, como su nombre indica, disponen de un material o fase polimérica que hace las funciones de matriz. A esta matriz se le unen otros materiales que hacen la función de refuerzo (típicamente fibras de vidrio, carbono o aramida) y, cuando sea posible, otros materiales de reducido coste, también conocidos como cargas.

Los materiales compuestos se han venido utilizando en la construcción desde la antigüedad: barro mezclado con paja, yeso con crines de caballos, etc. Sin embargo, los materiales compuestos de naturaleza polimérica comienzan a aparecer a principios del siglo XX, cuando se descubren las resinas termoestables.

De las aplicaciones bélicas primero y las aeroespaciales después, se pasa, con la industrialización y reducción de costes, a la utilización de los composites en otros campos de la industria y, hoy en día, los materiales compuestos de matriz termoestable presentan excelentes características aplicables a la construcción, como son:

• Tienen una baja densidad, lo que se traduce en un bajo peso a igualdad de volumen frente a los materiales tradicionales (acero, hormigón, etc.)
• No se ven afectados por la corrosión ni el ataque de agentes ambientales. No se oxidan.
• Presentan excelentes propiedades mecánicas.
• Permiten una gran libertad de formas y diseños.
• Algunos son transparentes a las ondas electromagnéticas.
• Presentan gran variedad de acabados, debido al gran rango de recubrimientos (“gel-coats”) existentes.
• Pueden actuar como aislantes eléctricos.
• Tienen un coste de producción competitivo.

No obstante, el uso de los materiales compuestos, si bien es aceptado sin reservas en sectores como el eólico, el de tratamiento de aguas residuales, el náutico (cascos de barco, accesorios de cubierta, etc.) o el de la automoción (interiores, carrocería, etc.), entre otros; no ha tenido el mismo crecimiento en la construcción. Esto se debe fundamentalmente al bajo grado de normalización que existe en la actualidad en los materiales compuestos. Por otro lado, los materiales tradicionales (hormigones, metales, cerámicas, etc.) ejercen una competencia muy fuerte porque sus prestaciones son muy bien conocidas por proyectistas, contratistas, e incluso los propios clientes.

Materiales compuestos reforzados con fibras

Las principales aplicaciones en edificios de los materiales compuestos reforzados con fibras (FRPs) de diferente naturaleza incluyen, en orden creciente de demanda estructural, marcos de ventanas y puertas, moldes utilizados en arquitectura, estructuras secundarias tales como paneles para muros, techos y suelos, rejas, etc. y estructuras primarias para edificios modulares.

En lo que a infraestructuras se refiere, podemos encontrar aplicaciones tales como envolventes de puentes, puentes pedestres, puentes vehiculares, carenados aerodinámicos, refuerzos de hormigón, columnas, depósitos a presión, suelos aislantes y envolventes, etc.

Las aplicaciones de los FRPs en el campo de la arquitectura se desarrollaron inicialmente en los Estados Unidos, donde hoy gozan de un gran mercado. A nivel europeo, si bien el mercado es todavía reducido, la introducción de las primeras puertas domésticas de FRPs hace aproximadamente quince veinte años inició la tendencia al alza de este tipo de materiales. Las diferentes composiciones de los FRPs permiten la producción de artículos con propiedades a medida para satisfacer los requerimientos de mercados tales como nuevos edificios y reacondicionamientos de los antiguos tanto en el sector público como en el privado. Una ventaja muy importante de los composites en la construcción es la posibilidad de satisfacer los estrictos requerimientos frente al fuego y como aislantes acústicos que supone la normativa actual. Esto se consigue de forma más eficaz cuando los composites se combinan con otros materiales (generalmente núcleos) tales como acero, termoplásticos o plásticos reciclados para cumplir los requerimientos de coste. Además, en este campo los FRPs tienen beneficios de tipo social tales como la mejora en la eficiencia térmica en el hogar y mayor durabilidad, aumentando los intervalos de reconstrucción.

Aplicaciones de los materiales compuestos

Otra tendencia que día a día cobra mayor importancia es la aplicación de los composites en la construcción de puentes. Los puentes son una de las aplicaciones más exigentes de la ingeniería civil. Pocas estructuras presentan la misma combinación de funcionalidad e impacto visual. En los puentes vehiculares el empleo de hormigón y acero gozan de una supremacía casi absoluta. Sin embargo, los materiales compuestos pueden desempeñar (y de hecho ya lo hacen) un papel fundamental en la sustitución de los tableros que forman el suelo de los puentes, donde la resistencia a la corrosión y la rapidez de instalación son importantes. De forma similar, las envolventes de los puentes también se están realizando con este tipo de materiales compuestos. Mención especial merecen los puentes pedestres, generalmente instalados en zonas de difícil acceso, la ligereza de los materiales compuestos permiten su instalación sin el empleo de vehículos pesados tales como grúas.

El uso de materiales compuestos como revestimientos es un buen método para dotar de valor añadido a las edificaciones, tanto a las de nueva construcción como a la restauración de las ya existentes. Sus aplicaciones en fachadas, esculturas, torres, bóvedas, cúpulas, etc. constituyen una alternativa a la piedra, ladrillos, madera, tejas, etc., frente a los que presentan ventajas como un bajo mantenimiento, resistencia UV, bajo peso y facilidad de crear réplicas de las piezas para su sustitución.

La instalación de vallas es otra aplicación importante. En el plano doméstico ya se están usando por su bajo peso y mantenimiento y su excelente resistencia a la intemperie. Por otro lado, dentro de esta aplicación destaca el vallado de aeropuertos debido a que los materiales compuestos son inherentemente transparentes a las ondas de radar y, por lo tanto, se elimina el riesgo de interferencia con los equipos de aterrizaje y despegue. Otro motivo adicional es su fragilidad, ya que si bien son materiales altamente rígidos y resistentes, se romperían fácilmente en caso de colisión con un aeroplano, minimizando las consecuencias del accidente.

Las estructuras modulares son una serie de paneles pultruidos que se entrelazan para dar lugar a construcciones con integridad estructural por sí mismas, esto es, sin la necesidad de armazones adicionales. Las ventajas más destacadas en esta aplicación son la posibilidad de prefabricación de las mismas, su facilidad de transporte y su sencilla instalación. Sus aplicaciones son variadas: torres de enfriamiento, almacenes, túneles de lavado, etc.

La posibilidad de diseñar materiales compuestos con requerimientos estructurales “a medida” gracias a la orientación preferencial de sus fibras, les hace muy indicados para aplicaciones de altos requerimientos estructurales, como son mástiles, torres y postes. Los beneficiarios de estos productos son, sobre todo, compañías eléctricas y de telecomunicaciones, que pueden realizar la distribución a través de líneas colocadas más cerca entre sí, ya que se elimina el riesgo de arco eléctrico, gracias a las propiedades dieléctricas de estos materiales, que también encuentran cabida como postes de servicio público, soportes de paneles solares, pilares marinos, etc.

La facilidad de procesado de los composites de matriz polimérica los hace ideales para reforzar estructuras. En el caso de vigas y puentes, se aplica fibra de carbono (que puede ser bien convencional o bien pre-tensada) en su parte inferior, que está sometida a tracción. También se utiliza en la reparación y refuerzo de fachadas, tejados, carreteras, etc. La ventaja más significativa del empleo de refuerzos compuestos de resina con fibra de carbono sobre el acero es la reducción del peso propio de la estructura. Las fibras de carbono tienen una resistencia a la tracción mucho más alta que la del acero, y además son mucho más ligeras y no presentan corrosión. Los refuerzos con fibra de vidrio son una alternativa más económica. Sea cual sea la opción, la unión entre el revestimiento y la estructura es de gran importancia para que el recubrimiento cumpla su función. Para prevenir la rotura del mismo se han desarrollado métodos de análisis no destructivos para la determinación de agujeros entre la estructura a reforzar y el revestimiento, como la representación térmica de pulso ultrasónico transitorio.

Los materiales compuestos han sido tenidos en cuenta en muchas aplicaciones estructurales innovadoras debido a su flexibilidad: es posible combinarlos con materiales tradicionales obteniéndose efectos sinérgicos a precios competitivos. Su mayor durabilidad, resistencia a la corrosión, facilidad de transporte y posibilidad de prefabricación abren una nueva puerta a los profesionales de la construcción.

Otros sectores de aplicación de los composites

Otro sector donde los composites están cobrando gran importancia es el eólico. Los requisitos fundamentales exigibles a las palas de los aerogeneradores, son una excelente resistencia a fatiga, resistencia a la corrosión (especialmente para palas instaladas en la costa), mínimo mantenimiento, una vida útil de al menos 30 años y ligereza. Los materiales compuestos suponen la respuesta ideal a esta necesidad y han desbancado totalmente al acero y al aluminio.

Una nueva tendencia son los compuestos plásticos de madera (Wood Plastic Composites – WPC). Estos son una combinación de madera (en formas diversas) con un termoplástico o un termoestable. Generalmente se trata de harina de madera o serrín, y si bien a priori la madera es un compuesto que además de absorber humedad, no presenta alta rigidez, este material compuesto ha encontrado aplicación en el diseño de interiores, la fabricación de productos de jardín, etc. dado que además de presentar un alto valor estético, permite reciclar los sobrantes de las industrias madereras, contribuyendo al desarrollo sostenible y al medio ambiente.