Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

En muchas partes del mundo, la forma más práctica de construir una vivienda es utilizar la propia tierra. Los bloques de tierra comprimida, que son esencialmente ladrillos hechos de suelo que ha sido compactado fuertemente en moldes, ofrecen una alternativa de bajo costo y sostenible a los ladrillos de arcilla cocida o al hormigón. Sin embargo, el suelo bruto es débil y se desmorona cuando se moja, por lo que los constructores tradicionalmente mezclan un agente aglutinante para mantenerlo unido. Durante décadas, la elección estándar ha sido el cemento Portland ordinario, un material que se endurece hasta formar una estructura similar a la piedra, pero que conlleva un alto costo ambiental debido a la enorme cantidad de dióxido de carbono liberado durante su producción. Mientras el mundo busca métodos de construcción más ecológicos, los científicos han centrado su atención en un tipo diferente de aglutinante: el geopolímero. Este material se crea mezclando arcilla local con una solución alcalina fuerte, lo que desencadena una reacción química que convierte la arcilla en una sustancia dura, similar a la roca, sin la necesidad de una cocción a altas temperaturas. La pregunta que enfrentan los investigadores es si este nuevo enfoque de menor emisión de carbono puede realmente estar a la altura del rendimiento del cemento tradicional, especialmente en los climas húmedos y tropicales donde estos edificios son más necesarios.

Un equipo de investigadores con sede en Camerún y Alemania se propuso responder a esta pregunta comparando directamente dos tipos de bloques de tierra estabilizada. Tomaron un tipo específico de suelo rojo rico en arcilla conocido como laterita, que es común en la región, y lo prepararon para su uso de dos maneras diferentes. Para el primer grupo de bloques, mezclaron el suelo con cemento Portland ordinario. Para el segundo grupo, utilizaron un aglutinante geopolímero hecho de caolín, un tipo de arcilla que primero fue calentada a una temperatura alta para hacerla químicamente reactiva, y luego mezclada con una solución alcalina líquida. Crearon bloques con diferentes cantidades de estos aglutinantes, que variaban desde el cinco por ciento hasta el diez por ciento del peso total, y los prensaron en formas sólidas utilizando una máquina pesada. Después de dejar que los bloques reposaran y se endurecieran durante una y dos semanas, el equipo los sometió a una serie rigurosa de pruebas para ver qué tan fuertes eran, cuánta agua absorbían y cómo eran sus estructuras internas bajo un microscopio.

Los resultados revelaron una división clara en el rendimiento dependiendo de qué tipo de resistencia importara más. Cuando los investigadores probaron cuánto peso podían soportar los bloques antes de aplastarse, los bloques de geopolímero demostraron ser el contendiente más fuerte. Con el nivel más alto de aglutinante del diez por ciento y tras dos semanas de curación, los bloques de geopolímero pudieron soportar una fuerza de aplastamiento de 10,62 megapascales en seco, e una impresionante cifra de 10,12 megapascales incluso después de haber sido empapados en agua. En contraste, los bloques de cemento al mismo nivel solo pudieron manejar 8,12 megapascales en seco y cayeron a 6,75 megapascales cuando estaban húmedos. Esta diferencia es significativa porque muestra que los bloques de geopolímero no solo comenzaron siendo más fuertes, sino que resistieron mucho mejor la exposición a la humedad, perdiendo muy poca de su resistencia. Los bloques de cemento, sin embargo, sufrieron una caída de resistencia mucho mayor al mojarse, lo que sugiere que son más vulnerables a la erosión y al daño causado por las lluvias intensas.

La historia fue diferente cuando los investigadores probaron la flexibilidad de los bloques, o su capacidad para doblarse sin romperse. En esta área, los bloques de cemento tradicionales tomaron la delantera. Los bloques estabilizados con cemento pudieron soportar una fuerza de flexión de 4,22 megapascales, mientras que los bloques de geopolímero solo lograron 2,81 megapascales. Esto indica que, si bien el geopolímero crea un material muy duro y denso que resiste ser aplastado, es más quebradizo y menos capaz de manejar los tipos de fuerzas de torsión o flexión que podrían ocurrir durante un terremoto o un asentamiento desigual del terreno. El cemento, en comparación, retiene un poco más de flexibilidad, permitiéndole absorber el estrés sin romperse tan fácilmente.

Para entender por qué estos dos materiales se comportaron de manera tan diferente, el equipo miró dentro de los bloques utilizando herramientas de imagen especializadas que revelan la disposición de átomos y moléculas. Encontraron que los bloques de cemento contenían los productos químicos esperados de la hidratación del cemento, junto con algunas partículas de cemento sin reaccionar que no se habían mezclado completamente debido al bajo contenido de agua utilizado en la fabricación de los ladrillos. Los bloques de geopolímero, sin embargo, mostraron un paisaje interno diferente. En lugar de cristales de cemento, contenían un gel amorfo denso —una sustancia que carece de una estructura cristalina rígida pero que une las partículas de suelo fuertemente. Este gel se formó porque la caolín tratada con calor reaccionó con la solución alcalina para crear una nueva red tridimensional. Esta red fue tan efectiva para llenar los diminutos huecos entre las partículas de suelo que los bloques de geopolímero terminaron siendo más densos y menos porosos que los bloques de cemento. Absorberon significativamente menos agua, con las mejores muestras de geopolímero absorbiendo solo alrededor del nueve por ciento de su peso en agua, en comparación con casi el doce por ciento de las muestras de cemento.

El estudio concluye que ningún material es un reemplazo perfecto para el otro en todas las situaciones, pero el geopolímero ofrece una alternativa convincente para necesidades específicas. Para los constructores en regiones tropicales donde la lluvia intensa es una amenaza constante, los bloques de geopolímero proporcionan una resistencia superior al daño por agua y una mayor resistencia a la compresión, lo que los hace excelentes para paredes de carga que deben mantenerse secas y sólidas. Sin embargo, para aplicaciones donde la estructura necesita flexionar o resistir fuerzas de flexión, el cemento tradicional sigue teniendo la ventaja. La investigación demuestra que, mediante el uso de materiales disponibles localmente y un proceso químico de bajo carbono, es posible crear bloques de tierra que no solo sean respetuosos con el medio ambiente, sino también técnicamente superiores en términos de durabilidad y estabilidad ante el agua. Este trabajo sugiere que el futuro de la vivienda sostenible en estas regiones puede residir en elegir el aglutinante adecuado para el trabajo adecuado, en lugar de confiar en una única solución universal.