Fabricación de arrecifes artificiales mediante impresión en 3D empleando morteros sostenibles

Abstract

La protección y recuperación de ecosistemas terrestres y marinos son temas actuales de vital importancia que conllevan a establecer una serie de medidas ambientales ya sean preventivas o correctivas, tanto a nivel tecnológico como de gestión. En este sentido, la inmersión de arrecifes artificiales (ARs) en el medio marino es una forma de estimular la recuperación de ecosistemas empobrecidos, y la impresión 3D es una herramienta que permite elaborar formas y texturas orgánicas que simulan los entornos naturales. Para ello, es necesario abordar su implementación desde un enfoque multidisciplinar que analice los materiales, los diseños y el proceso de construcción de los ARs para garantizar su efectividad. En esta tesis se presenta el proceso de fabricación de ARs, desde la selección de los materiales hasta la producción de los módulos para ser inmersos en las costas del Atlántico Norte, y así poder analizar su funcionamiento para mejorar la biodiversidad marina. Los ARs se elaboraron mediante impresión 3D empleando una técnica híbrida entre Extruded Material System (EMS) y Powder Based System (PBS). Los diseños propuestos cuentan con una combinación de formas prismáticas y aleatorias, con diferentes voladizos externos, así como agujeros interiores. Los diseños se basaron en criterios ambientales propuestos por biólogos marinos y por criterios tecnológicos definidos en función de las características propias de la impresora 3D. Como “tinta” de impresión se emplearon morteros de cemento con bajo contenido en clínker y morteros de geopolímero. Se estudiaron distintas dosificaciones, incluyendo grandes reemplazos de cemento por adiciones provenientes de residuos industriales, como fly ash (F.A.) y polvo de ladrillos cerámicos rojos, además de áridos reciclados, como arena de conchas marinas (seashells) y arena de vidrio (glass). La composición básica de los geopolímeros fue de F.A., como precursor, e hidróxido sódico (NaOH), como activador. Se elaboraron tanto probetas impresas en 3D como probetas moldeadas para analizar sus características particulares. Se dispusieron distintas condiciones de curado y exposición para analizar la evolución de las resistencias mecánicas y la durabilidad de los distintos morteros. Los estudios incluyeron determinación de las propiedades reológicas para definir la imprimibilidad, determinación del coste de los materiales utilizados, determinación de la resistencia mecánica (flexión y compresión) y receptividad biológica en probetas prismáticas que se sumergieron en el mar durante 24 meses. Para evaluar el impacto medioambiental de los materiales utilizados en la producción de los morteros se realizó un análisis del ciclo de vida (Life Cycle Assessment - LCA). Para elegir los morteros que reunían las mejores propiedades, se realizó un análisis de toma de decisiones con criterios múltiples (Multi-Criteria Decision-Making analysis – MCDM). Los dos morteros con mejor calificación se emplearon para la fabricación de los ARs. También se analizaron las ventajas e inconvenientes del proceso de impresión 3D utilizado, comentando los pasos seguidos para lograr la impresión de los ARs. Los resultados de esta investigación muestran que los morteros de cemento fueron los que mejor prestación tuvieron para ser empleados en impresión 3D, seguidos de los morteros de cemento con polvo cerámico. Los geopolímeros quedaron en último lugar debido a los altos costos de los materiales empleados y a las bajas resistencias logradas. Además, la metodología híbrida empleada fue efectiva para la impresión en 3D de ARs, ya que se logró crear huecos y voladizos, y las piezas fueron reproducciones fieles de los modelos digitales. Después de 2 años de monitorización, los ARs inmersos en el mar mostraron ser efectivos como módulos de recuperación de la biodiversidad en zonas costeras y como atracción de vida marina nueva.