Evaluación experimental y numérica del comportamiento mecánico de hormigón activado alcalinamente con escoria y vidrios reciclados y polvos de metacaolín desaluminado

Hormigón más verde para un mundo en crecimiento

Las ciudades modernas están construidas sobre hormigón, pero el hormigón tradicional a base de cemento tiene una elevada huella de carbono y consume grandes cantidades de materias primas. Este estudio explora un nuevo tipo de hormigón “verde” que sustituye gran parte del cemento y los áridos habituales por subproductos industriales y residuos, incluida la escoria de la producción de acero y vidrio residual finamente molido. Al demostrar que dichas mezclas pueden igualar o incluso superar al hormigón convencional, la investigación apunta hacia puentes y edificios más resistentes que además sean más respetuosos con el planeta.

Convertir residuos industriales en bloques de construcción

El hormigón estudiado en este trabajo se basa en escoria activada alcalinamente, un aglutinante obtenido mediante la activación química de escoria granulada de alto horno molida en lugar del uso de cemento Portland. Los investigadores reemplazaron parcialmente arena natural y escoria con dos subproductos industriales: polvo de vidrio reciclado y metacaolín desaluminado, un residuo rico en sílice y alúmina procedente de la extracción de aluminio. También probaron dos tipos de árido grueso—dolomita y basalto—y añadieron fibras cortas de acero en algunas mezclas. En total, crearon varias formulaciones controladas para ver cómo cada ingrediente afectaba la resistencia, la rigidez, el agrietamiento y el comportamiento general bajo carga.

De los moldes de laboratorio a la resistencia medida

Para evaluar el rendimiento, el equipo moldeó y curó cubos, cilindros y vigas a temperatura ambiente, evitando curados térmicos intensivos en energía. Midieron la resistencia a compresión (cuánto soporta el hormigón al ser comprimido), la resistencia a la tracción por división (cómo se comporta cuando se separa indirectamente), la resistencia a la flexión y la rigidez. En todos los ensayos, las mezclas con árido de basalto más duro superaron a las con dolomita. Cuando se añadió polvo de vidrio residual o metacaolín desaluminado, el hormigón se volvió más denso y resistente. La mezcla que destacó combinaba basalto, 10% de metacaolín desaluminado (sustituyendo parte de la escoria) y 1% de fibras de acero: mostró las mayores resistencias a compresión, tracción y flexión, junto con la mayor rigidez.

Mirando dentro del esqueleto interno del hormigón

Para averiguar por qué algunas mezclas funcionaban mejor, los investigadores examinaron pequeñas secciones de hormigón con microscopios electrónicos de barrido y emplearon sondas químicas para mapear la distribución de elementos clave. Las mezclas de peor comportamiento mostraron una estructura interna porosa y discontinua con zonas de contacto débiles entre los áridos y la pasta. En contraste, las mejores mezclas presentaron una red compacta y uniforme de productos de reacción que todo lo ligaban, especialmente alrededor de los áridos de basalto y las fibras de acero. El metacaolín desaluminado ayudó a formar un gel denso e interconectado que llenó microvacíos, mientras que las fibras de acero puentearon las grietas en desarrollo, impidiendo que se abrieran de forma súbita. Esta microestructura refinada explica el aumento de resistencia, tenacidad y resistencia al agrietamiento.

Simulando vigas antes de construirlas

Más allá de los probetas pequeñas, el estudio empleó simulaciones avanzadas por elementos finitos para predecir cómo se comportarían vigas de hormigón armado a escala real fabricadas con las distintas mezclas bajo flexión. Los investigadores calibraron un modelo de daño en el software ABAQUS de modo que sus curvas tensión–deformación coincidieran con las medidas en el laboratorio. Una vez ajustado, el modelo reprodujo con precisión las cargas de rotura y los patrones de grietas en cubos, cilindros y prismas. A continuación realizaron un estudio paramétrico virtual de vigas armadas. Las vigas fabricadas con basalto y las mezclas optimizadas a base de residuos soportaron cargas mucho mayores, se deformaron menos en la carga máxima y mostraron un agrietamiento más gradual y dúctil. La mezcla que contenía 10% de metacaolín desaluminado y 1% de fibras de acero aumentó la capacidad portante en torno a un 46% y redujo la flecha en el vano medio aproximadamente en una quinta parte respecto a una mezcla de referencia, todo ello sin cambiar el armado de acero.

Qué significa esto para las estructuras futuras

Para los no especialistas, la conclusión es clara: es posible diseñar hormigón que sea a la vez más resistente y más sostenible convirtiendo subproductos industriales—escoria, vidrio residual y arcillas desaluminadas—en ingredientes de alto rendimiento, especialmente cuando se combinan con fibras de acero y áridos robustos. El estudio demuestra que dichos hormigones verdes pueden ser ensayados de forma fiable, comprendidos a nivel microscópico y modelados con confianza en ordenador, ofreciendo a los ingenieros herramientas prácticas para diseñar vigas y otros elementos más seguros y eficientes. A largo plazo, este enfoque podría ayudar a reducir la carga ambiental de la construcción sin renunciar a carreteras, puentes y edificios duraderos.

Cita: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Palabras clave: hormigón sostenible, vidrio residual, geopolímero, refuerzo con fibras de acero, modelado numérico