Adhesivos en la construcción (I): conceptos generales

Construir es unir elementos de dimensiones reducidas para componer objetos de mucha mayor dimensión. Los adhesivos posibilitan realizar uniones directas por simple contacto a través de un tercer material. El arquitecto Ramón Araujo Armero realiza un análisis de los adhesivos actuales en un artículo dividido en tres partes: Adhesivos en la construcción (I): conceptos generales; Adhesivos en la construcción (II): los adhesivos en los orígenes de la fabricación industrial; Adhesivos en la construcción (II): aplicación en la industria de la construcción.

Cohesión y adhesión en los materiales

La cohesión es la fuerza de atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia, una propiedad de los materiales con la que estamos muy familiarizados y que se manifiesta como una característica muy significativa de la materia, la responsable final de que ésta se organice en formas durables y resistentes. Es sinónimo de resistencia o persistencia ante las acciones físicas y químicas que operan sobre la materia y si podemos construir artefactos de todo tipo es gracias a que los materiales con que lo hacemos tienen suficiente cohesión.

La cohesión de los diferentes materiales depende principalmente de su tipo de enlace molecular. En la adhesión participan tan solo los enlaces de Van der Waals –débiles y característicos de los líquidos– y su resistencia se debe a la polaridad de las moléculas. También interviene la tensión superficial, y el adhesivo requiere capacidad de “mojado” para extenderse sobre la superficie.

©Ramón Araujo

La cohesión depende de la estructura interna de los materiales y finalmente de los enlaces de su estructura molecular. Existen diferentes tipos de enlaces químicos y a cada uno de ellos les corresponden diferentes características mecánicas (resistencia, fragilidad o ductilidad, etc.).

La adherencia es una forma de unión física entre objetos, una fuerza de atracción que mantiene unidas moléculas de diferente naturaleza química, una atracción molecular entre cuerpos distintos puestos en contacto.

La adhesión se refiere a dos cuerpos o materiales diferentes, implicando generalmente la interposición de un tercer material entre ellos, que es el adhesivo. Implica por tanto una discontinuidad previa.

Adhesión por tensión superficial de las gotas de agua. Rocío sobre un ejemplar de equiseto mayor (Equisetum fluviatile) en la reserva natural Marie Mouchon, Belgica. Fotografía: Luc Viatour / https://Lucnix.be Licencia Creative Commons.

La adhesión está presente en la naturaleza, por ejemplo en la unión de la piel al cuerpo, en muchos conglomerados pétreos, en las secreciones pegajosas, en algunos tejidos biológicos… Pero la contemplamos como un hecho excepcional: nuestra experiencia nos dice que los cuerpos y materiales diferentes tienden a permanecer separados, o pueden ser fácilmente separados, y en todo caso tendemos a pensar en la adhesión como una fuerza “débil”.

Por esto los adhesivos tienen algo de misterioso, y parece que si un día llegamos a dominarlos, se produciría una gran transformación al poder dotar de continuidad fácilmente a elementos que hoy resultan difíciles de unir.

Y para los arquitectos resulta aún más fascinante, porque construir es finalmente unir elementos de dimensiones más o menos reducidas para componer objetos –edificios– de mucha mayor dimensión, y poder hacerlo por el simple contacto a través de un tercer material implicaría una verdadera revolución.

Estamos relativamente familiarizados con la adhesión a través de las técnicas tradicionales de construcción y en particular de los conglomerantes, que pegan –aunque pegan poco–. Y no confiamos demasiado en esa unión: tan poco, que calculamos las uniones entre fábricas y conglomerantes con resistencia nula a tracción.

Además, esta adhesión con la que estamos familiarizados es de naturaleza fundamentalmente mecánica, basada en el rozamiento y sobre todo en la penetración de un material en el otro a través de sus poros para crear vínculos mecánicos, como ocurre en la unión mediante morteros, tanto en las fábricas como en los revestimientos. Es también el caso de la adherencia de las armaduras al hormigón que las envuelve, que está basada en la rugosidad y el anclaje mecánico entre acero y hormigón, por lo que es función de aspectos como el tamaño del árido o el estado tensional del hormigón en torno a la armadura.

Petersen Tegl® 

©Ramón Araujo

En la construcción con conglomerantes o en el hormigón armado, la adhesión es fundamentalmente mecánica. Por eso en las fábricas y revestimientos requiere suficiente porosidad y un fraguado adecuado, mientras en el hormigón armado hay que asegurar el anclaje mecánico de las armaduras.

Al parecer estamos aún lejos de una explicación satisfactoria del fenómeno de la adhesión, que se debe en todo caso a múltiples factores. Las fuerzas de adhesión pueden ser de diferente naturaleza: mecánica –como hemos visto–, magnética, etc, pero el fenómeno dominante es de naturaleza química, una fuerza de atracción entre las moléculas del adhesivo y los cuerpos que une, y que se debe a la atracción o diferencia de polaridad de las moléculas y que se relaciona con la “energía superficial” de los materiales (capacidad de mojado), que implica un bajo ángulo de contacto entre el adhesivo y el cuerpo a unir.

Tipos de adhesivos

Toda esta tecnología es posible gracias a un imparable desarrollo de los tipos de adhesivos y sus técnicas de aplicación, apareciendo productos que superan las limitaciones iniciales de fragilidad, deterioro por ataques atmosféricos o escasa durabilidad.

Una clasificación es complicada y nos limitaremos a recordar algunos grupos generales.

Por un lado diferenciamos los adhesivos naturales de los sintéticos:

Adhesivos naturales

Están basados en productos biológicos de origen vegetal (la resina, el caucho, el látex, las gomas vegetales), animal (colas animales, gelatinas obtenidas del colágeno, presente principalmente en los mamíferos) o mineral (derivados del petróleo como el asfalto o el betún).

Adhesivos sintéticos

Son los derivados de polímeros, caracterizados por sus largas cadenas moleculares.

Los adhesivos pueden también clasificarse –como todos los polímeros– en función de su organización molecular, de la que depende su comportamiento mecánico y térmico: termoplásticos, termoestables y elastómeros.

Termoplasticos

Los termoplásticos tienen cadenas moleculares lineales, y por esto se ablandan por efecto de la temperatura y recuperan el estado sólido al enfriarse. Generalmente son flexibles a temperatura ambiente. Grupos representativos son los cianocrilatos (“supercementos” generalmente de dos componentes) y los polivinilos.

Termoestables

Los termoestables tienen cadenas entrecruzadas, por esto son más rígidos y estables, poco solubles y más estables térmicamente, como las resinas estructurales (fenólicas, epoxi, poliéster, etc.).

Elastómeros

Y los elastómeros, que son muy elásticos hasta la temperatura de descomposición. Pueden ser naturales (derivados del látex principalmente), gomas sintéticas (caucho butilo, etc.) o poliuretanos.

Otra clasificación es por su curado, los reactivos que polimerizan después de su aplicación (epoxi, poliuretanos, siliconas) o antes de ella (colas de contacto, PVC, cintas adhesivas), aplicados en caliente o en frío, etc.

Los adhesivos más empleados actualmente en construcción pertenecen principalmente a los grupos epoxi, poliéster, silicona, poliuretanos, cianoacrilatos, caucho, formaldehído o resinas acrílicas.

Tipos de adhesivos más empleados en construcción. Fuente: textoscientificos.com

Para usos estructurales cada grupo tiene diferentes aplicaciones. Por ejemplo algunas tienen limitaciones por su alta contracción térmica o reacción ante el agua (resinas de poliéster), las acrílicas se emplean para juntas y sellados por su flexibilidad, las de poliuretano en el montaje de paneles (muy resistentes al calor y la humedad), las siliconas resisten altas temperaturas y tienen una gran flexibilidad, con aplicación a todo tipo de materiales, etc.

Los formaldehídos tienen su gran campo de aplicación en la madera estructural y los adhesivos epoxi son los de mayores prestaciones estructurales, con comportamientos muy variables según los aditivos añadidos a las resinas, que son el componente fundamental. Tienen altas resistencias, poca contracción y poca sensibilidad a la humedad.

Propiedades de los adhesivos

Aunque las propiedades que más nos importan de los adhesivos son las del material una vez endurecido, hay que recordar que se trata de materiales muy inestables y que sus propiedades pueden verse afectadas en las diferentes fases que atraviesan, como el almacenaje o el curado. Muchos de ellos no pueden ser almacenados por largos periodos de tiempo, mientras que en casi todos ellos las condiciones de aplicación –tales como limpieza, presión, humedad, temperatura, viscosidad, tiempo de endurecimiento, etc.– son determinantes para su comportamiento una vez endurecidos.

Todo esto lleva a que los adhesivos se apliquen casi exclusivamente en procesos industriales para garantizar sus propiedades.

En cuanto a su comportamiento mecánico, hay que considerar que varía sustancialmente de unos materiales a otros, y que a su vez el comportamiento de las uniones dependerá de los materiales a unir. No obstante los adhesivos estructurales tienen un en general comportamiento linealmente elástico hasta elevadas tensiones, con altos límites de rotura.

Muchos tienen rotura frágil, incluso los epoxi, pero pueden modificarse mediante cargas para superar esta limitación. Por otra parte, el límite de rotura se establece más bien en el área de contacto que en el propio adhesivo.

En los adhesivos hay que considerar su fluencia o deformación diferida, consecuencia de su carácter viscoelástico (su deformabilidad depende de la intensidad y duración de las fuerzas aplicadas).

El comportamiento mecánico de todos los polímeros está muy determinado por la temperatura, perdiendo en general resistencia al aumentar aquella. Por otra parte un dato característico de los polímeros es su temperatura de transición vítrea, aquella a la que cambian de estado fundiéndose o distorsionándose, y esta temperatura es frecuentemente muy baja en comparación con la de otros materiales de construcción.

En cuanto a la acción del agua, muchos adhesivos son hidrófilos y alteran su comportamiento con la humedad, que puede penetrar en el adhesivo por capilaridad o condensación. El comportamiento suele ser reversible al perder la humedad.

La elección del adhesivo siempre es un compromiso entre diferentes propiedades, y la mayor resistencia implica muchas veces menor durabilidad. Para uniones estructurales se requiere gran tenacidad o capacidad de absorber energía por deformación previa a la rotura (indicada por las áreas bajo la gráfica tensión deformación) pero también durabilidad. Los adhesivos epoxi aportan el mejor conjunto de propiedades, mientras que los elastoméricos -más durables y deformables- se emplean cuando la resistencia no es determinante. (Fuente del gráfico superior: The aluminium automotiv manual. European Aluminium Association. abajo, esquema del autor. ).

Los adhesivos tienen un comportamiento general con el que estamos poco familiarizados, bien diferente al de los materiales estructurales más habituales. Esto implica necesariamente una gran precaución para sus aplicaciones estructurales, especialmente cuando se pretende una gran durabilidad y resistencia a los agentes atmosféricos, algo característico de la edificación.

Los adhesivos son materiales con un alto impacto ambiental debido a su complejidad química; muchos de sus componentes son materiales con altas emisiones contaminantes, tóxicos o no renovables, además de la alta energía que demanda su producción, y muchos de ellos requieren grandes precauciones en su utilización.

Hay muy poca normativa dirigida a controlar el impacto ambiental de los adhesivos, y por otro lado no parece que sea fácil lograr un cambio de estrategia en su producción, aunque actualmente se trata de reducir su impacto de diferentes formas, evitando el empleo de los componentes más tóxicos (muchos productos solventes, cargas o aditivos) o favoreciendo una nueva generación de adhesivos, como los basados en el agua como disolvente.

El comportamiento del adhesivo en las uniones estructurales

Hemos visto que la preparación de las superficies a unir es una condición fundamental para la realización de uniones adheridas estructurales, por lo que se han desarrollado diferentes técnicas, aplicables a diversos materiales y adhesivos. El objetivo de estos tratamientos es múltiple, desde la limpieza hasta la obtención de diferentes grados de rugosidad o comportamiento químico. Por ejemplo sobre los metales son típicos los tratamientos abrasivos o mediante ácidos. Otras técnicas como el plasma se aplican hoy en todo tipo de superficies para mejorar la adherencia.

Como consecuencia de su particular naturaleza, en el diseño de uniones suelen primar algunas consideraciones: que el material menos resistente sea el adhesivo, aumentar en lo posible la superficie adherida, que el adhesivo trabaje a compresión o cortante, que el espesor del adhesivo sea muy reducido y homogéneo.

En las uniones estructurales los adhesivos pueden trabajar a compresión, tracción y cortante, y pueden crearse concentraciones de tensiones por peladura o desgarramiento, que son los fallos más habituales. Las uniones más habituales implican solape, con la consiguiente flexión de las piezas a unir y la concentración de tensiones en los extremos del solape, pudiendo fallar tanto el adhesivo como los elementos a unir, en este último caso por delaminación.Fuente:twi-global.com.

En consecuencia las soluciones se basan ante todo en consideraciones geométricas, buscando configuraciones que permitan evitar debilidades, y la solución más general es el solape, con la consiguiente aparición de solicitaciones de flexión. Hay que considerar aquí que la extensión de la superficie adherida no es determinante, pues las tensiones se concentran en sus bordes extremos.

Una consecuencia importante de todo esto es que en las uniones no es tan importante la resistencia del material como su deformabilidad, de modo que puedan adaptarse al cambio de forma sin rotura frágil. Finalmente la principal defensa de las uniones adheridas es su resiliencia o capacidad para acumular energía de deformación debido a su carácter viscoelástico: las uniones adheridas pueden comportarse como muelles capaces de deformarse y disipar energía acomodando los cambios tensionales a que las uniones están sometidas y evitando la rotura frágil.

Como la durabilidad es fundamental, el diseño de la unión estará también dirigido a evitar el contacto con el agua, el soleamiento y otros agentes que puedan deteriorar la unión.

Este texto se completa con los artículos: Adhesivos en la construcción (II): los adhesivos en los orígenes de la fabricación industrial y Adhesivos III: aplicación en la industria de la construcción. que, como un único artículo se publicaron por primera vez en la website tectonica-online en 2014.