Adhesivos en la construcción (III): aplicaciones en la industria de la construcción

En la tercera y última parte de su análisis sobre los adhesivos, el arquitecto Ramón Araujo Armero analiza los adhesivos actuales a partir de su comportamiento mecánico y térmico, y aborda sus propiedades y aplicaciones en la ejecución de obras de fábrica, refuerzo y reparación de estructuras, construcción de paneles y elementos multicapa, cerramientos de vidrio y revestimientos continuos. Los textos que preceden a este artículo son: Adhesivos en la construcción (I): conceptos generales y Adhesivos en la construcción (II): los adhesivos en los orígenes de la fabricación industrial.

Los adhesivos en la industria de la construcción

Hasta hace pocos años el empleo de los adhesivos en construcción se limitaba a los acabados interiores, especialmente a la aplicación de revestimientos en paredes y suelos. Pero esto ha cambiado, en gran parte como consecuencia de la transferencia desde otras industrias.

El empleo de los adhesivos implica muchas novedades y no cabe duda que ha supuesto cambios significativos en la tecnología de la construcción, participando o impulsando su evolución hacia sistemas más ligeros, industriales y fiables. Pero también supone un cambio drástico del comportamiento de las construcciones tal y como las entendemos, consecuencia de estas características citadas, que introducen variables nuevas en el comportamiento físico del edificio. Las novedades irán acompañadas de nuevas y complejas patologías y problemas.

Revestimiento cerámico adherido a las placas prefabricadas de hormigón que revisten las cáscaras de la Ópera de Sidney. Fotografía: joyef (Oct. 2013) en tripadvisor.ca ydetalle en J. Utzon y O, Arup, Architecture 3. City Icons. Phaidon, London 1999.

Especialmente la importancia del control de la ejecución y la preparación de superficies, que son aspectos vitales de las uniones adheridas, y plantean la principal limitación en sus aplicaciones, al tener que ejecutarse muchas veces en obra. Por esto las posibilidades de la adhesión solo explotan cuando se emplea en elementos industriales. Hay que recordar que, en el caso de la industria del transporte, las aplicaciones de los adhesivos son inseparables de un altísimo nivel de experimentación, investigación, control y mantenimiento.

Otra limitación importante será la durabilidad de los adhesivos, pues aquí los requisitos en edificación son mayores que en otras áreas de aplicación.

Los adhesivos en la obra de fábrica

Muchas de las primeras aplicaciones de los adhesivos se dirigen a la sustitución de técnicas y procedimientos de la albañilería, mediante una nueva generación de conglomerantes para fábricas y revestimientos basados en la adhesión.

Los morteros adhesivos o “cementos cola” han permitido simplificar muchas operaciones de albañilería, como la colocación de pavimentos cerámicos (en la imagen, el pavimento se encola directamente sobre la capa de compresión previamente pulida, evitando los rellenos) o revestimientos del mismo material. Imagen: Butech.

Entre los materiales para revestimientos, un ejemplo son los revocos modificados con resinas sintéticas, generalmente monocapa, que permiten aplicaciones sobre materiales aislantes, y están sustituyendo a los revestimientos tradicionales. Otro grupo son los morteros de látex o “cementos cola”, empleados como base para revestimientos cerámicos.

Los morteros adhesivos epoxi permiten realizar fábricas de piedra prácticamente en seco, con juntas de mínimo espesor y montar los sillares sobre materiales no porosos como el acero. Ramón Araujo, Viviendas en Alpedrete, Madrid.

Dibujo de fachada de las viviendas en Alpedrete por Ramón Araujo. En las fábricas en las que se utilizan morteros epoxi hay que atender a la poca flexibilidad de las juntas.

Los morteros para fábricas se realizan generalmente con resinas epoxi. Son mucho más resistentes, con espesores inferiores a las juntas de morteros tradicionales y tienen importantes campos de aplicación debido a su baja retracción y gran resistencia: unión entre piezas de hormigón prefabricado, fábricas de alta capacidad mecánica, realización de anclajes de todo tipo, etc.

También en los revestimientos los morteros adhesivos para aplacados (en base a látex) y revestimientos de morteros modificados se basan en la adhesión y no en el anclaje. Hay que cuidar su uso, pues su comportamiento puede ser muy diferente al de los materiales tradicionales (morteros de cal), flexibles y permeables. Esquema del autor, abajo, revestimiento con Laticrete.

Todos estos materiales tienen otras ventajas, como su dosificación industrial o una aplicación más mecanizada, y en cierto modo han contribuido a tecnificar la albañilería. No obstante, conviene diferenciarlos de sus equivalentes tradicionales, pues frente a ventajas como las mencionadas, pueden plantear importantes incompatibilidades con las técnicas tradicionales, por lo que su aplicación a la rehabilitación debe ser muy cuidadosa: pensar en que los revestimientos serán muchas veces impermeables o las juntas rígidas, frente a la permeabilidad y flexibilidad características de los conglomerantes tradicionales.

Morteros epoxi y de baja retracción, con espesores mínimos, son frecuentes en la construcción en hormigón prefabricado (detalle de un apoyo entre paneles portantes) siendo e insustituibles en las fábricas sometidas a grandes tensiones, por ejemplo las postensadas: Iglesia del Padre Pío (Renzo Piano, Ove Arup) (Esquemas del libro "Renzo Piano Building Workshop". Vol V. Peter Buchanan. Phaidon, London 2008. Fotografía: Vittorio Grassi).

Los adhesivos en la reparación de estructuras de fábrica y hormigón armado

Quizás sea uno de los terrenos donde los adhesivos han supuesto novedades más significativas, al ofrecer o permitir procesos de intervención menos invasivos que los tradicionales. Desde luego se trata de un terreno conflictivo pues necesariamente estamos operando con nuevos materiales sobre una estructura heredada y creando potenciales incompatibilidades, pero en general los beneficios obtenidos superan las limitaciones y riesgos.

Las inyecciones, cosidos y grapados son técnicas de consolidación de fábricas basadas en los morteros termoestables, generalmente de resinas epoxi, por sus características de baja retracción, gran fluidez, impermeabilidad, etc. Sistema Cintec de cosidos de fábricas.

En las estructuras de fábrica los adhesivos juegan un papel fundamental en las consolidaciones mediante cosidos, consistentes en la incorporación de armaduras de refuerzo adheridas con resinas epoxi. También los morteros de consolidación inyectados se basan frecuentemente en la adhesión.

Los morteros epoxi son insustituibles en la reparación de las estructuras de hormigón, especialmente ante daños producidos por oxidación y carbonatación: protección de armaduras, relleno de fisuras, reconstrucción de piezas y revestimientos de protección. Esquemas del autor.

Reparación de estructura de hormigón armado y recuperación del volumen del pilar mediante mortero epoxi. Fuente: Sika.

Aplicaciones de mortero de reparación estructural. Fuente: BASF

Relleno de fisuras con mortero epoxi. Fuente: Ecosat.

En la reparación de estructuras de hormigón armado es donde los cementos modificados por polímeros ofrecen más ventajas, gracias a las posibilidades de dosificación para diferentes aplicaciones, y pueden ofrecer suficiente elasticidad, adherencia, baja contracción, estanqueidad y velocidad de fraguado como para superar a los morteros tradicionales. Estos morteros de reparación son de látex, epoxi, poliéster o acrílicos principalmente, muy empleados en inyección de fisuras y recubrimientos de estructuras dañadas.

Una aplicación destacada de este tipo de polímeros adhesivos es la protección del hormigón armado contra la carbonatación, bien como recubrimiento de las piezas acabadas –recubrimientos adhesivos permeables al vapor y resistentes a la difusión de CO₂–, o de las armaduras.

Los morteros adhesivos se emplean también en refuerzos externos de las estructuras de hormigón, para lograr incrementos en la capacidad mecánica de las piezas bien mediante encamisados o chapas de acero encolados. En estos casos los adhesivos, de nuevo habitualmente morteros epoxi o de látex, juegan el papel de aportar resistencia a cortante.

Empleo de resinas epoxi en el refuerzo de estructuras con encamisado metálico de refuerzo, refuerzo de pilar. Abajo, esquema de aplicación. Fuente: Raul Romero, Arturo Viola, en www.porquesaleaguadelenchufe.es

Esquemas de aplicación de resinas epoxi en el refuerzo de estructuras como morteros o imprimaciones adhesivas, refuerzo de vigas y forjados o reconstrucción de vigas de madera. Autor: Ramón Araujo. 

La aplicación de estos adhesivos requiere una gran atención a la compatibilidad de deformaciones de los materiales, así como a la preparación de las superficies y al proceso de aplicación.

El refuerzo de estructuras de hormigón mediante fibra de carbono es actualmente una técnica en auge. Se trata de una técnica de armado externo en la que el refuerzo tiene la forma de un tejido de fibra de carbono, normalmente zunchados helicoidales en soportes, bandas longitudinales en vigas o forjados y encamisados locales en zonas de cortantes máximos. Esta armadura se fija a la pieza mediante adhesivos epoxi.

También se han empleado refuerzos adheridos en las estructuras metálicas, o en la reparación de estructuras de madera, en este caso para reconstruir secciones dañadas o suplementar su sección con refuerzos metálicos adheridos mediante las mismas resinas, en forma de chapas o redondos.

Refuerzo de pilar de hormigón armado mediante la adhesión de tejidos de fibra de carbono. 

Aplicación de refuerzo de estructuras de hormigón armado mediante la adhesión de tejidos de fibra de carbono: Preparación del hormigón; aplicación del mortero sobre el soporte; impregnación de la resina epoxi sobre el tejido de fibra de carbono; refuerzo a cortante de viga armada. Fuente: Sika.

Reconstrucción de viga de madera mediante conectores reforzados con resina epoxi y resina bicomponente de inyección más boquilla y redonodo para la conexión de viga de madera a forjado de hormigón. Imagen: Hilti.

Los adhesivos en la unión de elementos para la formación de superficies

Los adhesivos resuelven muchos problemas para la realización de uniones y es esperable su generalización en este campo.

Una solución muy empleada son los anclajes químicos, donde los adhesivos suelen ser de dos componentes que se ponen en contacto al accionar el anclaje. A la misma familia pertenecerían los anclajes sobre hormigón endurecido realizados con armaduras insertadas en taladros rellenos de resinas.

Los anclajes químicos, muchos de ellos basados en resinas de dos componentes, permiten realizar uniones de gran resistencia sobre todo tipo de materiales. Fotografía: Ramón Araujo.

Como vimos, las uniones adheridas parecen muy adecuadas en la formación de elementos superficiales. Por ejemplo, en la construcción de puentes se han empleado para la conexión del tablero al entramado cuando el primero es prefabricado, sustituyendo a los conectores metálicos. Aplicaciones similares permiten prefabricar tableros mixtos con chapa perfilada que se unirán por adhesión al entramado principal.

Los adhesivos tienen importantes aplicaciones en la construcción del puente: en la unión entre dovelas prefabricadas, en la formación de tableros mixtos o incluso en los enlaces entre piezas de acero. Fotogrtafía: Segmental Bridge Systems, Bethlehem Construccion Inc. abajo, "Adhesives in civil engineering. C.G. Mays, A.R.Hutchinson.Cambridge University Press 2005.

Una de las aplicaciones más extendidas la encontramos en la realización de juntas entre elementos de hormigón prefabricado, como en la construcción de tableros de puente mediante dovelas. Tradicionalmente estas juntas se planteaban con espesores del orden de 20 cm para rellenarse con hormigón, y se reducen a 2 - 4 cm si se emplean morteros de baja retracción. Las juntas con adhesivos epoxi logran un mayor monolitismo con espesores inferiores a 2 mm. La junta no es propiamente estructural, al emplearse junto a sistemas de postensado, y sus principales ventajas son su estanquidad y velocidad de fraguado.

En cuanto a la fabricación de piezas, no cabe duda de que el mayor éxito de los adhesivos ha sido la madera laminada, con la que se realizaron primero los tableros contrachapados y finalmente todo tipo de elementos estructurales mediante el encolado de chapas. Además de dotar a la madera de unas nuevas capacidades mecánicas, la libertad de forma y optimización de secciones que permite el nuevo material es más que notable.

La madera es quizás el material que más debe a los adhesivos en edificación, pues gracias a ellos ha multiplicado sus aplicaciones formando piezas lineales y superficiales de gran envergadura. Se emplea hoy en forma sistemática en todo tipo de edificios y ha abierto nuevas posibilidades: en el Multihalle de Manheim permite enlazar las barras de pequeña longitud para formar las grandes piezas del entramado. Multihalle de Manheim para la Exposición Alemana de Jardinería de 1975. Frei Otto, con Carlfried Mutschler y Ove Arup, Fuente: "Adhesives in building construction". Forest Service, US Department of Agriculture. 1978.

Los sistemas estructurales con madera laminada encolada permiten una flexibilidad en cuanto al diseño impensable a partir de vigas convencionales de madera. Fuente: Lanik Ingenieros.

La técnica implica lograr unos espesores totalmente controlados de la capa adhesiva, lo que se logra mediante su ejecución por prensado. Los tipos de adhesivo más empleados son tanto resinas sintéticas termoestables, como las fenólicas.

En el Metropol parasol en Sevilla, J. Mayer Architects, Arup Ing, 2011, los elementos de fijación de cada escama se han fijado a la dovela de madera mediante adhesivos.

El mismo principio puede aplicarse a otros materiales para formar secciones complejas a partir de la superposición de diversos perfiles, habitualmente extrusiones de aluminio, laminados de acero, perfiles plásticos, etc., o más interesante aún, para formar secciones compuestas por diversos materiales. Igualmente muchos elementos tales como rigidizadores, aletas o suplementos de todo tipo, pueden montarse por adhesión.

De nuevo es en la construcción de puentes de acero donde encontramos algunas aplicaciones, aunque frecuentemente este tipo de uniones son mixtas, empleando tornillos junto al adhesivo, pues la solución mejora sensiblemente el comportamiento de las uniones ante la fatiga.

Los adhesivos en la construcción de paneles y elementos multicapa

La construcción de elementos multicapa es uno de los campos con mayor potencial para los adhesivos, por ser elementos superficiales, menos afectados por la concentración de tensiones. Por otra parte, en los paneles más complejos intervienen diferentes materiales, y aquí los adhesivos ofrecen más ventajas respecto a otras técnicas de unión.

La tecnología de inyección de poliuretano, con capacidad adherente al espumarse, ha generalizado el empleo de paneles metálicos en fachadas. Hospital Infanta Leonor, Madrid, Ramón Araujo con A. Berned, L. Vidal e IDOM. 

Los paneles ligeros más empleados son los de chapas exteriores metálicas, de contrachapado de madera o de muchos otros materiales, superpuestas a un alma celular de un material espumado o en nido de abeja. Una de las técnicas empleadas consiste en inyectar el material del alma (poliuretano, con propiedades adhesivas), pero frecuentemente la unión es encolada entre materiales preformados.

Panel sándwich para fachada y cubierta compuesto por un doble revestimiento en chapa de acero, con núcleo aislante de lana mineral, y se utiliza tanto para fachadas como para cubiertas. Fuente: Isopan, panel Isofire.

Con materiales aislantes rígidos como refuerzo y chapas externas adheridas pueden formarse elementos superficiales de todo tipo, especialmente para interiorismo, donde los esfuerzos mecánicos y el ambiente son favorables. Tableros de revestimiento formados por un alma de partículas y fibras de madera con opción de cara exterior de melamina o laminada. Fuente: Finsa, paneles ignífugos GreenPanel, Fibracolour o Compac Plus.

El encolado permite además fabricar elementos más complejos, superponiendo entramados metálicos como estructura interna de refuerzo o perfilerías externas de diferente tipo.

Panel compuesto de alma de aluminio ondulada que le confiere una gran resistencia a compresión, adherida a paneles de diferentes características y prestaciones. Fuente: Metawell, panel MetaCore®.

Aunque la mayoría de los paneles que hoy empleamos son bastante sencillos, podríamos plantear elementos más complejos, similares a los fabricados en automoción. En estos elementos la adhesión permite formas continuas de gran complejidad al aplicarse en múltiples fases del montaje: perfiles compuestos, anclajes y accesorios, formación de superficies y ensamblaje final.

Hoy se han generalizado los paneles con refuerzo en nido de abeja, fabricados mediante adhesivos en el montaje de los componentes básicos (alma y caras) e incorporando todo tipo de materiales tanto para la celda como para las caras externas, incluyendo laminados de piedra o cerámica. Panel formado por una chapa de 4 ó 5 mm de piedra natural fijada a un sustrato estructural de aluminio en nido de abeja. Fuente: StoneLite™.

La reunión de los perfiles y paneles compuestos abre un gran campo al diseño de paneles de todo tipo con aplicaciones relevantes en fachadas y especialmente muros cortina.

Muchos componentes de la edificación comienzan a integrar los adhesivos. Los paneles de techo de las gasolineras Repsol, diseñadas por Foster Architects, tienen encolado el entramado oculto. Fuente: "Construir con acero, Arquitectura en España 1993-2007". Ramón Araujo, Apta 2009.

Los paneles aligerados pueden conformarse, ser ensamblados por adhesión y encolarse a elementos de refuerzo para formar elementos más complejos, pero aún estamos lejos de explotar las posibilidades de los adhesivos en la formación de elementos completos que no requieran apenas operaciones de obra, especialmente para cerramientos. Fotografía: malla composite (CMP) de GKD, un panel sándwich para techo acústico constituido por una superficie exterior de malla de aluminio, un relleno de lana acústica y una base resistente en nido de abeja de aluminio de 25 mm de espesor.

Los adhesivos y la tecnología del vidrio

De hecho es en la tecnología del vidrio donde los adhesivos han jugado un papel más determinante, debido a la dificultad que implican las mecanizaciones de todo tipo en un material característicamente frágil.

En primer lugar, en la formación de elementos multicapa, caso del vidrio laminado y los vidrios con cámara de aire, donde el monolitismo del conjunto está plenamente confiado a la adhesión. Especialmente interesante resulta el desarrollo de los perfiles perimetrales de doble vidrio, donde el adhesivo debe asegurar resistencia mecánica y estanqueidad.

Los elementos que cambiaron la tecnología del vidrio estaban basados en la adhesión: el vidrio laminado al formarse con adhesivos transparentes intercalados, el doble acristalamiento por su elaborada junta perimetral. 

Un paso más serán las siliconas estructurales, que permiten adherir hojas de vidrio a un bastidor de aluminio sin anclajes mecánicos de ningún tipo, aportando nuevas propiedades a las superficies acristaladas al evitar las heterogeneidades de la superficie (los perfiles salientes siempre implican problemas de estanqueidad y dilatación térmica) y evitar concentraciones de tensiones en las fijaciones. Con la silicona estructural la fachada de vidrio es una superficie en la que los adhesivos juegan ya un papel más que determinante.

El acristalamiento estructural es el resultado de una silicona suficientemente deformable como para acomodar las deformaciones de la fachada. Esquema del autor.

Con este material serán posibles las juntas perimetrales sin perfilería entre grandes formatos, como en la sede de Morgan Stanley en Londres (SOM, 2003) y finalmente, la fijación del vidrio al bastidor sin fijaciones mecánicas o incluso la adhesión de los anclajes puntuales sin taladros © Pilkington.

También se han realizado encolados directos entre vidrios para formar elementos estructurales más complejos y sin perfilerías, y de nuevo será frecuente el recurso a uniones mixtas, tanto por seguridad como por la mayor resiliencia de las uniones.

En el Broadfield House Glass Museum en Dudley, Reino Unido (Design Antenna, 1994) el recurso al encolado de elementos de vidrio se generaliza, resolviéndose todo el montaje por adhesión.

La escalera de la tienda Apple en West 14th Street, Nueva York (Bohlin Cywinski Jackson, 2007) se basa en laminados de múltiples capas y, sobre todo, en una unión atornillada entre piezas cuyos dos componentes se han fijado previamente al vidrio por adhesión.

Podemos realizar una cúpula de vidrio sin bastidor, con todas las uniones encoladas, especialmente si toda está comprimida debido a su forma rebajada: prototipo de 8 m de diámetro realizado en el IL de Stuttgart.

Los adhesivos y los revestimientos continuos

Por último, hay que recordar la importancia de los adhesivos en el desarrollo de revestimientos continuos formando parte de todo tipo de elementos superficiales, como pavimentos continuos de resinas –cuyo antecedente encontramos de nuevo en los tableros de puentes– y todo tipo de pinturas, láminas impermeables o juntas de sellado.

Revestimiento de poliuretano elástico decorativo con un alto grado de absorción acústica y propiedades bacteriostáticas. Fuente: BASF, MasterTop.

La adhesión juega un papel fundamental en la efectividad de los recubrimientos, y estos son cada día más importantes en nuestra forma de construir, siendo los tratamientos finales de las organizaciones multicapa, normalmente como capa protectora y de acabado. Son particularmente importantes como protección de los metales ante la corrosión, y del hormigón armado contra la carbonatación y otras agresiones químicas.

Es indudable la importancia que la técnica del lacado ha tenido para la generalización de la construcción metálica, tanto en estructuras vistas como en cerramientos, lo mismo que las protecciones del hormigón en base a capas protectoras: sin ambas técnicas nuestras estructuras serían hoy inviables.

Los recubrimiento de protección juegan hoy un papel determinante en la construcción y sin ellos serían inviables muchas aplicaciones, por ejemplo de los metales.© Pöttinger

Nuevas técnicas de protección se suman a aquellas, algo que podemos detectar en muchos objetos cotidianos, impecablemente revestidos. Una de estas técnicas son los recubrimientos por proyección térmica o mediante plasma (que es un estado de la materia resultado de la ionización del estado gaseoso), que aplicado sobre una superficie proporciona recubrimientos de gran adherencia y resistencia. Estos recubrimientos pueden ser de todo tipo –cerámicos, metálicos, etc.– y parecen destinados a lograr una nueva generación en el campo de la protección.

Las soluciones actuales están basadas en los adhesivos y en estrictos procesos de preparación de superficies, generalizándose nuevas técnicas como el lacado térmico o la proyección mediante plasma.© Iberalc

Consideraciones finales sobre el papel de los adhesivos en la construcción

Hemos visto en este recorrido que el recurso al montaje mediante adhesivos ha abierto campos interesantes a todas las tecnologías aportando muchas ventajas, desde uniones sencillas y flexibles a la posibilidad de reunir diferentes materiales, pasando por la simplificación de muchos procesos de montaje. En algunos casos las novedades resultantes son tan llamativas como su aportación a las estructuras monocasco, a los paneles aligerados, a la creación de la madera laminada o incluso a la envolvente de vidrio y las técnicas de refuerzo estructural.

Por otra parte, basta pensar en lo desconocido que aún resulta para la ciencia el fenómeno de la adhesión, para intuir hasta que punto el camino por delante resulta verdaderamente abierto.

Quizás lo más sorprendente es que la edificación aparece aquí a la altura de otras tecnologías, desmintiendo la genial apreciación de Fuller de que el progreso de las tecnologías industriales es proporcional a la velocidad con que se mueven los objetos que aquellas producen (o sea, progreso nulo en la edificación).

Parece que los adhesivos jugarán un papel determinante en la industria de la construcción en la medida en que aportan soluciones sencillas a la prefabricación de elementos industriales cada vez más complejos. Si las primeras aplicaciones se dirigen a racionalizar o simplificar la albañilería, las más avanzadas parecen emular a la industria del transporte, abriendo nuevas posibilidades a la prefabricación y a la incorporación de nuevos materiales.

No cabe duda que la evolución reciente de la tecnología de la edificación ha sido más que relevante, y sobre todo que la investigación juega en ella hoy un papel fundamental. Y esto ocurre en la medida en que la arquitectura se integra en el terreno de la producción industrial, fuera de la cual la arquitectura simplemente no es posible.

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