Compósitos cementosos diseñados con nano carbonato de calcio y fibras recicladas de mascarillas por la COVID para aplicaciones sostenibles de impresión 3D

Convertir los residuos de la pandemia en edificios más resistentes

¿Y si los miles de millones de mascarillas desechables usados durante la pandemia de COVID-19 pudieran ayudarnos a construir viviendas mejores y más verdes? Este estudio explora precisamente esa idea. Al triturar el material de las mascarillas en fibras minúsculas y combinarlo con partículas minerales de tamaño nanométrico, los investigadores crearon una mezcla imprimible en 3D que es más fuerte, más densa y más duradera que el hormigón convencional. Su trabajo muestra cómo los residuos médicos de ayer y los materiales avanzados de hoy podrían, juntos, dar forma a los edificios del mañana.

Por qué el hormigón necesita una mejora

El hormigón es la columna vertebral de la construcción moderna, pero tiene una debilidad importante: resiste muy bien las fuerzas de compresión, sin embargo se fisura con facilidad cuando se somete a tracción o flexión. Los compósitos cementosos diseñados (ECC) se desarrollaron para corregir esto mezclando una pequeña cantidad de fibras cortas de modo que, en lugar de una única grieta grande, se formen muchas grietas pequeñas y el material pueda deformarse algo sin fallar. Al mismo tiempo, la construcción busca métodos más limpios, y la impresión 3D de hormigón ha surgido como una vía para reducir residuos, disminuir mano de obra y permitir diseños más flexibles mediante la extrusión de capas de mortero como si fuera glaseado. El reto es desarrollar una mezcla imprimible que fluya a través de una boquilla pero que se endurezca rápidamente hasta formar una estructura estable y resistente a las grietas.

De las mascarillas y nanopartículas a una mezcla imprimible

El equipo afrontó este reto usando dos ingredientes clave. Primero, emplearon fibras cortadas de mascarillas médicas no utilizadas hechas de polipropileno, un plástico común. Estas llamadas fibras de desecho de mascarillas fueron tratadas con un proceso eléctrico de “corona” para rugosizar su superficie y hacerlas más compatibles con la pasta cementosa, ayudando a que se adhieran mejor y a que puedan puentear grietas diminutas. Segundo, añadieron nano carbonato de calcio, un polvo extremadamente fino cuyas partículas miden decenas de nanómetros—miles de veces más pequeñas que la arena. Estas nanopartículas actúan como microrellenos, colándose en huecos diminutos entre los granos de cemento y proporcionando superficies adicionales donde el cemento puede fraguar más rápido. Los investigadores prepararon una serie de morteros imprimibles en 3D que contenían una cantidad constante de fibras de mascarilla pero diferentes dosis de nano carbonato de calcio que iban del 0 al 4 por ciento en peso respecto al cemento.

Lograr el flujo y la forma adecuados

Para la impresión 3D, la mezcla debe comportarse como una pasta dental espesa: lo suficientemente fluida para ser bombeada y moldeada, pero lo bastante rígida para mantener su forma a medida que se apilan las capas. El equipo midió cuánto se expandían pequeñas muestras bajo su propio peso, qué tan fácilmente fluían sobre una mesa vibratoria y cuántas capas se podían apilar antes del colapso. A medida que se añadió más nano carbonato de calcio, las mezclas se volvieron menos fluidas pero más estables. Las partículas más finas absorbieron parte del agua de amasado e incrementaron la cohesión interna, de modo que los cordones impresos conservaron su forma y el número de capas apilables aumentó de unas 31 sin nanopartículas a 55 con la dosis más alta. Sin embargo, si se añadía demasiado nano carbonato de calcio, las partículas tendían a aglomerarse, haciendo el material excesivamente rígido y más difícil de trabajar.

Más resistente, más denso y menos absorbente en el punto óptimo

La pregunta clave era cómo afectaban estos cambios al material terminado. Los investigadores secaron y pesaron muestras impresas y coladas de forma tradicional para determinar la densidad, las empaparon para medir la absorción de agua y evaluaron su resistencia a la compresión, flexión y tracción por compresión diametral (splitting). Encontraron un claro punto óptimo alrededor del 3 por ciento de nano carbonato de calcio. A este nivel, las muestras impresas eran más densas y absorbían menos agua que las sin nanopartículas, un indicio de menos porosidad interna. Sus resistencias a compresión, flexión y tracción por compresión alcanzaron máximos, y las muestras impresas en 3D superaron a las coladas convencionales. Imágenes microscópicas apoyaron estos resultados: con un 3 por ciento de nanopartículas, la estructura interna parecía compacta, con poros rellenados por gel endurecido y fibras bien adheridas a la pasta circundante. Con un 4 por ciento, la aglomeración de nanopartículas generó nuevos huecos y tanto la densidad como la resistencia descendieron.

Qué significa esto para una construcción 3D más ecológica

En términos sencillos, el estudio demuestra que una dosificación cuidadosa de nano carbonato de calcio, combinada con fibras recicladas de mascarillas, puede convertir una mezcla de cemento imprimible en un material de construcción más resistente y duradero. Alrededor del 2–3 por ciento de nano carbonato de calcio respecto al peso del cemento ofreció el mejor equilibrio entre facilidad de impresión, estabilidad de capas, resistencia y reducción de la absorción de agua. Las fibras de mascarilla tratadas ayudan a controlar las grietas, mientras que las nanopartículas rellenan huecos y aceleran el fraguado, especialmente en las capas impresas en 3D. Más allá de las ventajas de ingeniería, este enfoque señala una forma de dar una segunda vida a los residuos plásticos de la era pandémica en la construcción sostenible, apuntando a un futuro en el que materiales avanzados y reciclaje estén integrados en las paredes que nos rodean.

Cita: Krishnaraja, A.R., Kulanthaivel, P., Manoharan, A. et al. Engineered cementitious composites with nano calcium carbonate and corona waste mask fibers for sustainable 3D printing applications. Sci Rep 16, 13458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43424-9

Palabras clave: impresión 3D de hormigón, nano carbonato de calcio, fibras recicladas de mascarillas, compósitos cementosos diseñados, construcción sostenible