Propiedades mecánicas y durabilidad del hormigón con zeolita y polvo cerámico residual mediante investigación experimental y análisis por aprendizaje automático

Convertir azulejos desechados en hormigón más resistente

El hormigón está en todas partes: en nuestras viviendas, puentes y calles urbanas. Pero fabricar cemento, el pegamento que mantiene unido al hormigón, consume mucha energía y es una fuente importante de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, montones de azulejos cerámicos rotos procedentes de la construcción y la demolición acaban en vertederos. Este estudio explora una forma de abordar ambos problemas a la vez: sustituir parte del cemento por minerales volcánicos naturales y polvo cerámico fino procedente de residuos, y usar aprendizaje automático para predecir qué rendimiento tendrá este hormigón más ecológico.

¿Por qué replantear los ingredientes del hormigón?

El cemento es la parte más cara y ambientalmente perjudicial del hormigón. Su producción quema grandes cantidades de combustible y libera CO₂. Mientras tanto, la industria de baldosas cerámicas genera millones de toneladas de residuos cada año que son difíciles de reciclar por medios convencionales. Los investigadores examinaron dos sustitutos prometedores que pueden reemplazar parcialmente al cemento: la zeolita natural, un mineral volcánico reactivo, y el polvo cerámico procedente de azulejos descartados. Ambos son ricos en sílice y alúmina, que pueden reaccionar con subproductos de la hidratación del cemento para formar geles aglutinantes adicionales, lo que potencialmente hace el hormigón más fuerte y menos permeable al agua y a las sales.

Diseño y ensayo de las nuevas mezclas

El equipo preparó trece recetas diferentes de hormigón. Mantuvieron constante el contenido de agua y la arena y grava, pero sustituyeron de forma sistemática parte del cemento por zeolita (5%, 10% o 15%) y por polvo cerámico (0%, 10%, 20% o 30%). Para cada mezcla, moldearon probetas estándar y las curaron en agua hasta 91 días. Luego midieron propiedades clave para estructuras reales: resistencia a compresión (la carga que el hormigón puede soportar hasta aplastarse), resistencia a tracción y flexión (qué tan bien resiste el agrietamiento y la flexión), cuánto agua absorbe y con qué facilidad los iones cloruro —como los procedentes de la sal de carretera o del agua de mar— pueden penetrar. La resistencia a cloruros se evaluó con una prueba rápida estándar que mide la carga eléctrica que atraviesa una sección de hormigón durante seis horas.

Hormigón más fuerte, menos permeable y más duradero

Los experimentos mostraron que las mezclas de zeolita y polvo cerámico pueden superar al hormigón ordinario cuando se eligen cuidadosamente las proporciones. Una mezcla con 15% de zeolita y 10% de polvo cerámico ofreció el mejor comportamiento mecánico general, aumentando la resistencia a compresión, tracción y flexión en todas las edades de ensayo en comparación con la mezcla convencional. Al mismo tiempo, este hormigón híbrido absorbió mucho menos agua —hasta aproximadamente tres cuartas partes menos después de 91 días—, lo que significa que su red de poros interna se volvió mucho más compacta. Para la protección frente a sales corrosivas, una sustitución aún más agresiva (15% zeolita y 30% polvo cerámico) dio el resultado más impresionante: la carga eléctrica medida relacionada con la penetración de cloruros cayó de unos 3200 culombios en el hormigón de control a aproximadamente 425 culombios, situando el material en la categoría de permeabilidad “muy baja” usada por los ingenieros.

Qué ocurre dentro del hormigón

La química microscópica explica estas mejoras. Tanto la zeolita como el polvo cerámico contienen sílice y alúmina amorfas y finamente divididas. En el hormigón húmedo reaccionan con el hidróxido de calcio, un subproducto relativamente débil y soluble de la hidratación del cemento. Esta reacción forma geles adicionales de silicato cálcico-hidratado y compuestos relacionados —la misma “cola” que da resistencia al hormigón. Estos geles rellenan y refinan el sistema de poros, engrosan la zona de contacto entre la pasta y la grava y reducen el número de vías por las que el agua y los iones cloruro pueden viajar. En efecto, las partículas de polvo cerámico actúan tanto como microrellenos como ingredientes reactivos, mientras que la zeolita proporciona superficies muy activas que impulsan las reacciones químicas.

Permitir que los ordenadores predigan el rendimiento del hormigón

Para ir más allá del ensayo y error en el laboratorio, los investigadores entrenaron varios modelos de aprendizaje automático con sus datos de ensayo. Los modelos tomaron como entradas el tiempo de curado y los porcentajes de zeolita y polvo cerámico, y aprendieron a predecir la resistencia a compresión. Entre los enfoques probados, un algoritmo llamado XGBoost —un tipo de método de árboles de decisión con boosting— ofreció las predicciones más precisas, con un alto grado de concordancia entre las resistencias predichas y medidas. Esto sugiere que, una vez entrenados con un conjunto experimental modesto, dichos modelos pueden ayudar a los ingenieros a explorar rápidamente muchas combinaciones posibles de aditivos naturales y procedentes de residuos, reduciendo las mezclas más prometedoras antes de hormigonar.

Qué significa esto para las estructuras de uso cotidiano

Para un público no especializado, la conclusión es que este estudio apunta a una receta práctica para un hormigón más ecológico y duradero. Al sustituir una proporción significativa de cemento por zeolita natural y azulejos molidos finamente, es posible reducir el uso de cemento, reciclar un subproducto industrial y, al mismo tiempo, obtener un hormigón que se fisura menos, absorbe mucha menos agua y es mucho más resistente al ataque de sales. Unido a herramientas de aprendizaje automático que pueden orientar futuros diseños de mezcla, este enfoque ofrece una vía hacia carreteras, puentes y estructuras costeras que sean tanto más sostenibles como más duraderas a lo largo de su vida útil.

Cita: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

Palabras clave: hormigón sostenible, residuos cerámicos, zeolita, durabilidad, aprendizaje automático