Mechanical Characteristics of Concrete Elements Incorporating Waste-Derived Expanded Polystyrene (EPS) Spheres at The Neutral Zone
Este estudio experimental demuestra que la incorporación de esferas de EPS derivadas de residuos como formadores de núcleo discretos en el concreto M20 reduce significativamente la densidad y la resistencia a la flexión, mientras que la resistencia a la compresión muestra una tendencia general no significativa a pesar de una caída notable al 6% de reemplazo, resaltando la necesidad de mayor investigación sobre el desempeño estructural y la durabilidad.
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El concreto es el esqueleto invisible del mundo moderno, sosteniendo nuestros puentes, hogares y carreteras. Es increíblemente fuerte cuando se comprime, pero también es pesado. Ese peso es una carga; cuanto más pesado es un edificio, más grandes deben ser sus cimientos y más fuerza ejerce durante un terremoto. Los ingenieros han sabido durante mucho tiempo que en una viga o una losa, el centro mismo apenas soporta tensión por flexión. Es una zona silenciosa donde el material realiza muy poco trabajo. Si ese centro pudiera vaciarse, la estructura se volvería más ligera sin perder su capacidad para soportar una carga. Esta idea no es nueva, pero la mayoría de los métodos para lograrlo dependen de esferas de plástico manufacturadas y costosas que son difíciles de obtener en regiones en desarrollo. Mientras tanto, la espuma de poliestireno de desecho, a menudo llamada Thermocol, se acumula en los vertederos o se quema, liberando humos tóxicos. El desafío radica en encontrar una forma de convertir este residuo inútil y frágil en un componente estructural útil, barato, local y efectivo.
Un equipo de investigadores del Madan Bhandari College of Engineering en Nepal se propuso resolver este problema probando un enfoque sencillo y de baja tecnología. Tomaron láminas de Thermocol de desecho, las laminaron juntas y las lijaron a mano hasta convertirlas en esferas perfectas. Estas esferas fueron colocadas precisamente en el centro, o zona neutra, de bloques y vigas de concreto fresco antes de verter el concreto. El objetivo era ver si incrustar estas bolas de espuma ligera en el medio del concreto reduciría el peso total de la estructura manteniendo al mismo tiempo su capacidad de ser lo suficientemente fuerte para ser segura. Probaron cuatro mezclas diferentes: un control estándar sin espuma, y tres versiones donde la espuma reemplazaba un pequeño porcentaje del volumen de concreto, específicamente un 4%, 5% y 6%.
Los resultados mostraron que la estrategia funcionó exactamente como se esperaba para reducir el peso. A medida que aumentaba la cantidad de espuma, el concreto se volvía notablemente más ligero. La mezcla estándar pesaba alrededor de 2403 kilogramos por metro cúbico, pero la mezcla con 6% de espuma cayó a 2314 kilogramos por metro cúbico. Esta reducción de peso es significativa para la construcción, ya que significa menos peso muerto presionando contra el suelo y las columnas de soporte. Los investigadores también descubrieron que la espuma no hacía que el concreto absorbiera más agua; de hecho, la absorción de agua disminuyó ligeramente a medida que se añadía más espuma, porque la espuma en sí es impermeable y no absorbe líquidos.
Sin embargo, la historia de la resistencia es más compleja. Cuando los investigadores probaron cuánta fuerza podían soportar los bloques antes de aplastarse, encontraron que la resistencia sí caía a medida que se añadía más espuma, pero la caída fue pequeña y no siempre estadísticamente significativa. Los bloques de control soportaron unos 20.26 megapascales de presión, mientras que los bloques con 6% de espuma soportaron unos 18.63 megapascales. El análisis estadístico reveló que las ligeras diferencias observadas en el 4% y 5% de espuma eran probablemente variaciones normales del propio concreto, más que una pérdida real de resistencia causada por la espuma. Solo la mezcla con 6% mostró una disminución clara y medible en la resistencia a la compresión. Esto sugiere que, para cantidades pequeñas de espuma, el concreto sigue siendo tan fuerte como la mezcla original.
La historia cambió cuando los investigadores probaron cómo resistían las vigas ante la flexión, que es lo que ocurre cuando un piso se deforma bajo el peso. Aquí, la espuma tuvo un efecto mucho más notable. La resistencia a la flexión cayó drásticamente a medida que aumentaba el contenido de espuma. Las vigas con 6% de espuma fueron casi un 30% más débiles en flexión que las vigas de control sólidas. Los investigadores explicaron esto señalando que, si bien se supone que el centro de la viga no soporta tensión, el acto de doblarse crea fuerzas de corte ocultas que viajan a través del medio. Las esferas de espuma actuaron como obstáculos para estas fuerzas, creando puntos débiles donde podrían iniciarse grietas. A pesar de esta caída, incluso las vigas más débiles con espuma eran más fuertes que el requisito mínimo de seguridad para este tipo de concreto.
El estudio concluye que existe un punto óptimo para usar este material de desecho. Una mezcla que contiene entre un 4% y un 5% de esferas de espuma ofrece un buen equilibrio: reduce el peso del edificio significativamente sin causar una pérdida estadísticamente confirmada en la capacidad de soportar cargas pesadas. Si bien la resistencia a la flexión disminuye, se mantiene bien dentro de los límites seguros para su uso práctico, especialmente dado que los edificios reales utilizan barras de acero para manejar la tensión que el concreto no puede manejar. Los investigadores enfatizan que este método no es una solución mágica que elimine todas las preocupaciones estructurales, ni reemplaza la necesidad de una ingeniería cuidadosa. En cambio, proporciona una forma viable y de bajo costo para usar desechos locales para aligerar las estructuras, lo cual es particularmente valioso en áreas propensas a terremotos donde reducir el peso de un edificio puede salvar vidas. El trabajo sigue siendo un paso preliminar, demostrando que el concepto funciona en el laboratorio, pero apunta hacia un futuro donde la espuma de desecho podría convertirse en una parte estándar y útil del proceso de construcción.
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