Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

En el mundo de la construcción, los materiales que utilizamos para construir nuestros hogares y ciudades suelen ser pesados, permanentes y difíciles de cambiar. Durante décadas, el estándar ha sido el hormigón, una mezcla de cemento, arena y agua que se endurece hasta convertirse en un estado sólido similar a una roca. Aunque es increíblemente fuerte, la fabricación del cemento que une esta mezcla genera una cantidad significativa de dióxido de carbono, contribuyendo al cambio climático. Al mismo tiempo, la industria minera produce cantidades masivas de restos de roca y lodo que a menudo se amontonan en grandes áreas de almacenamiento, ocupando espacio y planteando riesgos ambientales. Un campo creciente de la ciencia busca resolver ambos problemas a la vez, encontrando formas de convertir estos desechos industriales en bloques de construcción útiles. Este enfoque, a menudo llamado economía circular, tiene como objetivo evitar que los residuos se desperdicien y reducir la necesidad de nuevas materias primas que consumen mucha energía. Otra innovación moderna en este campo es la impresión de hormigón 3D, una tecnología que utiliza grandes brazos robóticos para exprimir capas de hormigón húmedo, construyendo estructuras capa por capa sin la necesidad de los moldes de madera tradicionales. Para que esta tecnología funcione bien, el hormigón debe ser lo suficientemente fluido como para fluir a través de una máquina, pero lo suficientemente rígido como para mantener su forma en el momento en que se deposita.

Investigadores en Marruecos han explorado recientemente si las vastas cantidades de residuos producidos por la industria de la extracción de fosfatos del país podrían utilizarse en estos nuevos tipos de mezclas de construcción. Marruecos es un líder mundial en la producción de fosfatos, un mineral esencial para los fertilizantes, pero el proceso de extracción y limpieza de esta roca genera enormes cantidades de subproductos, incluyendo roca residual, un material llamado fosfogipsom y lodo húmedo. En lugar de dejar que estos materiales se amontonen en pilas, un equipo de científicos de la Universidad Politécnica Mohammed VI decidió probar si podían ser triturados y mezclados con cemento para crear un material adecuado para la impresión 3D. Recopilaron muestras de estos tres tipos de residuos de una planta de procesamiento y los sometieron a una serie de pruebas cuidadosas para comprender su composición química, su seguridad y cómo se comportaban al mezclarse con agua y arena.

El primer paso fue asegurar que los materiales fueran seguros para manipular y utilizar. Los investigadores midieron el contenido de humedad y la acidez de los residuos, encontrando que los materiales eran generalmente neutros y no contenían niveles peligrosos de metales pesados. También comprobaron la radiactividad, una preocupación debido a que las menas de fosfato a veces pueden contener trazas de elementos radiactivos de origen natural. Las pruebas mostraron que los niveles de radiactividad eran muy bajos y estaban dentro de los límites seguros para la construcción. El equipo luego analizó la composición química de los residuos utilizando equipos avanzados que identifican los elementos presentes en una muestra. Encontraron que el residuo era rico en calcio y azufre, con cantidades menores de otros minerales, confirmando que tenía los ingredientes adecuados para potencialmente reaccionar con el cemento y formar un enlace fuerte.

Con la seguridad y la composición confirmadas, los investigadores pasaron a la creación de mezclas de construcción reales. Prepararon docenas de recetas diferentes, mezclando el residuo de fosfato triturado con arcilla roja, arena triturada y tres tipos diferentes de cemento. Variaron la cantidad de agua y la proporción de residuo en cada mezcla para ver qué combinación producía los mejores resultados. El objetivo era encontrar un equilibrio donde la mezcla fuera lo suficientemente fuerte como para soportar peso, pero lo suficientemente fluida como para ser bombeada a través de una impresora. Después de la mezcla, vertieron el material húmedo en pequeños moldes y dejaron que se endureciera durante varias semanas, probando qué tan fuerte se volvía con el tiempo.

Los resultados mostraron que los materiales de desecho sí podían incorporarse con éxito al hormigón. Las mezclas se endurecieron en bloques sólidos que podían soportar una presión significativa. La mezcla más fuerte, hecha con el cemento de mayor grado y una cantidad específica de residuo de fosfato, alcanzó una resistencia a la compresión de casi 4 de megapascales, una medida de cuánta fuerza puede soportar el material antes de romperse. Otras mezclas que utilizaban diferentes tipos de cemento también funcionaron bien, con resistencias que oscilaban entre aproximadamente 22 y 32 megapascales. Estas cifras sugieren que el material es lo suficientemente fuerte para muchos propósitos de construcción. Los investigadores también probaron cómo fluía la mezcla húmeda, midiendo su viscosidad y cómo cambiaba de forma bajo estrés. Encontraron que las mezclas exhibían propiedades mecánicas y reológicas que sugieren potencial para un mayor desarrollo; sin embargo, el artículo señala explícitamente que la idoneidad de estas formulaciones para la impresión de hormigón 3D basada en extrusión aún debe ser validada experimentalmente.

A pesar de estos resultados alentadores, los investigadores fueron cuidadosos de no declarar el problema totalmente resuelto. Aunque las mezclas mostraron un gran potencial en el laboratorio, aún no habían sido probadas en una impresora 3D real. El estudio confirmó que los materiales son seguros, fuertes y tienen las propiedades físicas adecuadas sobre el papel, pero la prueba final vendrá al ver si pueden imprimirse con éxito en formas complejas que se mantengan en el tiempo. El equipo señaló que el trabajo futuro debe centrarse en ensayos de impresión directa para ver qué tan bien se adhieren las capas entre sí, cómo se comporta el material cuando se construye en una estructura real, y para evaluar la unión entre capas y la capacidad de construcción. También enfatizaron la necesidad de más estudios a largo plazo para asegurar que los materiales permanezcan seguros y estables en el medio ambiente.

Este trabajo representa un paso significativo hacia la transformación de un importante producto de desecho industrial en un recurso valioso. Al demostrar que los residuos de fosfato marroquíes pueden transformarse en un material de construcción fuerte, seguro y potencialmente imprimible, el estudio abre una nueva puerta para la construcción sostenible. Sugiere que las pilas de roca residual y lodo que durante mucho tiempo han sido un desafío ambiental podrían algún día convertirse en los ladrillos y vigas de los edificios del futuro, reduciendo la necesidad de nuevas materias primas y ayudando a construir una industria de la construcción más limpia y eficiente. El camino desde una pila de desechos hasta una casa impresa en 3D todavía se está trazando, pero esta investigación proporciona un punto de partida claro y prometedor.