Comportamiento a flexión y desarrollo de fisuras en losas geopolymeros reforzadas con huecos longitudinales: un estudio experimental

Por qué importan los suelos más ligeros y ecológicos

Los edificios modernos dependen de extensas superficies de losas de hormigón, que representan una gran parte tanto del coste de la construcción como del impacto climático. Este estudio explora una forma nueva de fabricar estas losas utilizando hormigón geopolymero a base de ceniza volante y caucho residual, y practicando largos tubos huecos a lo largo de la losa para reducir peso. El trabajo plantea una pregunta sencilla con grandes consecuencias prácticas: ¿podemos fabricar losas más ligeras y con menos carbono que sigan soportando cargas de forma segura y resistiendo la fisuración como las losas de hormigón tradicionales?

Un tipo distinto de hormigón

El hormigón tradicional liga arena y grava con cemento Portland, cuya producción libera grandes cantidades de dióxido de carbono. El hormigón geopolymero sustituye el cemento por subproductos industriales ricos en sílice y alúmina, como la ceniza volante de centrales eléctricas. En esta investigación, los autores usaron un geopolymero a base de ceniza volante activado con soluciones alcalinas y añadieron una cantidad moderada de fibras de caucho tratadas, obtenidas de neumáticos usados. La ceniza volante convierte residuos en un ingrediente útil, mientras que el caucho pretende hacer que el geopolymero —por lo demás quebradizo— sea algo más tolerante cuando se fisura. Ensayos previos en pequeños cubos, cilindros y vigas mostraron que esta mezcla alcanzó mayores resistencias a compresión, tracción y flexión que una mezcla cementosa estándar de similar clase, con una rigidez solo ligeramente inferior.

Convertir losas macizas en núcleos huecos

Para ver cómo se comporta este hormigón en elementos estructurales reales, el equipo moldeó siete losas reforzadas. Dos fueron macizas: una hecha con hormigón convencional y otra con la mezcla geopolymera. Las otras cinco fueron losas más largas de núcleo hueco hechas con hormigón geopolymero, donde tuberías de plástico a lo largo de la losa formaron huecos circulares. Al variar los diámetros de las tuberías, los investigadores crearon tres niveles de hueco diferentes, eliminando entre aproximadamente un 12 y un 24 por ciento del volumen de hormigón. También variaron una medida geométrica clave, la relación entre la luz y la profundidad de la losa, que afecta fuertemente cómo se dobla una losa y dónde es más vulnerable.

Someter las losas hasta su rotura

Todas las losas se ensayaron en laboratorio usando una disposición de carga en cuatro puntos, donde dos cargas iguales se aplican entre los apoyos, creando una región de flexión constante en el centro. Durante las pruebas, los investigadores registraron cuidadosamente cuándo aparecieron las primeras fisuras visibles, cómo se propagó el patrón de fisuración, cuánto se deformó la mitad del claro y la carga de rotura. También compararon estas observaciones con valores calculados a partir de reglas de diseño estándar usadas mundialmente para hormigón armado. Esto les permitió evaluar no solo cómo se comportaban los nuevos materiales y geometrías, sino también si las fórmulas de ingeniería habituales siguen siendo fiables cuando se sustituye el cemento por ligantes geopolymeros.

Qué ocurre al añadir huecos

La losa geopolymera maciza rindió ligeramente mejor que la losa maciza de cemento, soportando un poco más de carga en la primera fisura y en la rotura final, y desarrollando un mayor número de fisuras más finas. Las fibras de caucho añadidas ayudaron a repartir el daño de forma más homogénea, dotando a la losa geopolymera de un fallo más dúctil y menos brusco. En las losas de núcleo hueco la situación fue más mixta. Practicar huecos hizo las losas más ligeras pero también redujo su rigidez y resistencia. A medida que el área total de hueco aumentó desde aproximadamente una octava parte hasta casi una cuarta parte de la sección, las cargas que provocaban la primera fisura y la rotura final disminuyeron. Las luces efectivas más largas tuvieron un efecto similar: incrementar la relación luz/profundidad casi redujo a la mitad la carga última mientras aumentaba la deformación. Aun así, las anchuras de fisura medidas se mantuvieron dentro de los límites comunes de servicio, y las losas huecas conservaron una alta fracción de la resistencia de la losa maciza de control.

Reglas de diseño que siguen siendo válidas

Al comparar los datos experimentales con cálculos de códigos de hormigón americanos y europeos, hallaron buen acuerdo, típicamente en torno al diez por ciento. Para las losas macizas, la teoría predijo tanto la resistencia como la deformación con bastante precisión. Para las losas de núcleo hueco, las fórmulas simplificadas tendieron a sobreestimar la deformación, en parte porque las tuberías plásticas permanentes dentro de los huecos añaden algo de rigidez que las ecuaciones no contemplan. Las predicciones de anchura de fisura basadas en Eurocódigo también coincidieron bien con los valores medidos; en la mayoría de los casos las fisuras reales fueron ligeramente menores que el límite superior calculado. Estos resultados sugieren que los ingenieros pueden adaptar los métodos de diseño familiares a losas geopolymero de núcleo hueco con confianza razonable, reconociendo cierto conservadurismo en el comportamiento de servicio.

Qué significa esto para los edificios del futuro

Para el público general, la conclusión es que los sistemas de pavimento pueden hacerse más ligeros y más limpios sin sacrificar la seguridad, combinando la geometría de núcleo hueco con hormigón geopolymero que recicla ceniza volante y caucho residual. El estudio muestra que una mezcla geopolymera bien diseñada puede igualar o superar ligeramente el comportamiento a flexión del hormigón estándar, y que los núcleos huecos pueden reducir significativamente el uso de material siempre que el tamaño de los huecos y la luz se mantengan dentro de rangos sensatos. Dado que las herramientas de cálculo estándar siguen siendo aplicables a estas losas, el camino hacia su adopción práctica en edificios de bajo carbono resulta más directo, ofreciendo a los proyectistas una opción realista para reducir la huella ambiental de los forjados de hormigón sin perder un comportamiento estructural fiable.

Cita: Aziz, Y.H.A., Malky, A.E. & El-Sayed, T.A. Flexural behavior and crack development of reinforced geopolymer slabs with longitudinal voids: an experimental study. Sci Rep 16, 16026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53647-5

Palabras clave: hormigón geopolymero, losa de núcleo hueco, comportamiento a flexión, desarrollo de fisuras, estructuras sostenibles