Processing Viscosity

Gloria Herranz Bañón
Profesor/es: Javier Sánchez Merina
Proyecto Fin de Carrera
2016-17
Producto, Prototipo, Experimento Tecnológico

Este proyecto comienza con una primera fase de análisis experimental sobre procesos físicos y químicos aplicados a distintos tipos de resinas durante su fraguado. Posteriormente se selecciona uno de los resultados obtenidos para su estudio en profundidad como propuesta estructural tanto en sus propiedades empíricas como cualitativas.

  • ORIGEN DEL PROYECTO

El comienzo de este proyecto surge de una inquietud acerca de las posibilidades inexploradas que ofrecen los fluidos viscosos como material estructural. En punto de origen fue a través de una asignatura cursada el año anterior, Taller de estructuras; aquí se dio la oportunidad de comenzar a trabajar con distintos materiales de todo tipo a modo de aproximación empírica sobre un proyecto existente.

El curso se centró en el arquitecto japonés Junya Ishigami, y el proyecto sobre el que se trabajó fue la Casa Restaurante, donde realizaba excavaciones en el terreno para posteriormente verter hormigón como método constructivo y estructural, retornando a la idea de casa-cueva. Así pues el resultado formal de todo esto consistió en el desarrollo de una serie de pruebas y experimentos con distintos tipos de fluidos viscosos de origen muy distinto (cera, yeso, chocolate, resina...) como una primera aproximación a las posibilidades de este tipo de sistema estructural monolítico.

  • REFERENCIAS Y METODOLOGÍA

Así que partiendo de esto como base, mediante unas referencias concretas se establecen los fundamentos metodológicos para el desarrollo de la primera fase proyectual del trabajo. La primera de estas referencias se trataba de Peter Zumthor en cuanto a cómo entiende la relación del usuario de espacio con la materialidad del proyecto. En segundo lugar Eduardo Chillida, ya que su trabajo se rige por la consolidación del espacio negativo mediante, en algunos casos, la substracción de material como aproximación a la escultura. Y por último Frei Otto y el uso del dibujo como herramienta de análisis estructural y constructivo, ya que al tratarse de resultados experimentales es realmente complicado otro acercamiento y se precisa de un primer análisis y entendimiento más directo.

  Por último, para acotar el campo de trabajo, ya existían demasiadas variables y opciones a elegir, se selecciona la resina como material principal de estudio. Dentro de este campo, que también ofrece demasiadas opciones, se delimitan los siguientes materiales con el fin de poder abarcar distintas propiedades generales:

- Resina de poliéster: Se trata de una matriz termoestable de naturaleza polimérica. Las resinas de poliéster reaccionan por medio de una polimerización, acelerada por sales de Cobalto, y catalizada por peróxidos, Ta, luz UV, microondas, etc. Se puede personalizar el tiempo de reacción de las resinas de poliéster, ajustando los porcentajes de catalizador o acelerante, o la Ta de curado.

- Resina epoxi: la resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o endurecedor. Tiene un tiempo de fraguado de mínimo cuatro horas, pero puede variar en función de la humedad y Ta ambiente.

- Resina acrílica base agua: es una resina ecológica bicomponente, que cura a temperatura ambiente con la ayuda de un catalizador en base agua. Son por tanto la alternativa ecológica al resto de resinas. Funcionan muy bien en colada ya que este tipo de resinas son de muy baja reactividad y apenas desgastan los moldes y tampoco tienen mucha retracción al catalizar.

- Resina acrílica base solvente: es un copolímero acrílico medio duro modificado en solución de tolueno. Cataliza con peróxido de MEKP una vez activada. Funciona mejor en laminado con refuerzo de fibras pero también sirve para coladas.

Además de estudiar su compatibilidad con distintos tipos de cargas y cómo funcionaban ante la adición de color (colorante base agua y gel coats), también se estudió la compatibilidad que existe entre las mismas.

  • FASE EXPERIMENTAL

Una vez decidido el ámbito del trabajo, se comienzan una serie de experimentos donde se aplicaba distintos tipos de procesos a las cuatro resinas para ver su comportamiento y que nuevas tipologías estructurales generaban. Inicialmente se planteó centrar el trabajo en dos grupos globales de procesos: procesos físicos y químicos.

Exp01+02+03// Esferas de gel de sílice + Resina acrílica base agua:

Sobre el recipiente de plástico se vierten las esferas de gel de sílice hasta que haya la cantidad necesaria. Tras esto, el pigmento negro se añade sobre la componente líquida de la resina acrílica para que sea más fácil y homogénea su mezcla con la componente en polvo. Se mezclan ambas componentes hasta que se homogenice sin grumos. Hay que tener en cuenta el tiempo de trabajo máximo antes de que comience a fraguar la resina, que en este caso es de media hora.

 

La resina ya mezclada se vierte sobre el recipiente con las esferas de gel y se deja reposar para que catalice mediante reacción exotérmica. Primeramente, a través de este experimento podemos saber que la resina acrílica es capaz de catalizar en contacto con el agua. Sin embargo, debido a su composición química, se ve afectada por el agua contenida en las esferas de gel de sílice, comprometiendo a su resistencia y acabado, ya que parte de dicho agua se disuelve en la resina durante su catalización. Se genera una estructura en retícula determinada por la disposición de las esferas de gel de sílice, a la vez que se rentabiliza en mayor medida el material ya que el mismo volumen se colmata con mucha menor cantidad de resina.

 

- Exp01: Un factor importante fue el uso de mucha más cantidad de esferas que de resina, lo que provocó que se liberara mayor cantidad de agua ante el calor de la reacción exotérmica al catalizar. Esto provocó que se mezclara con la resina de modo que el material quedó demasiado frágil y quebradizo, además de verse muy afectado en su textura final. El peso de las esferas extra hizo que se deformaran más y afectó a la retícula. Además, absorbieron parte del pigmento, produciendo una descoloración heterogénea en el resultado final.

 

- Exp02: Este experimento se repitió con esferas de menor diámetro y sin aplicar peso encima para evitar presión añadida. Las esferas de gel de sílice también tenían menor diámetro y por tanto menos cantidad de agua embebida. Esto desembocó en una pieza de mayor resistencia que la anterior, mejor calidad de la textura final y un fondo de mayor sección (ya que al ser menos esferas, estas flotaban sin el exceso de peso encima).

 

- Exp03: En este caso se repitió por tercera vez el experimento pero con esferas iguales a las del primero y un recipiente mucho más ancho que alto.

Exp04+05// Esferas de gel de sílice + Resina epoxi:

Sobre el recipiente de plástico se vierten las bolas de gel de sílice hasta que haya la cantidad necesaria. Se mezclan ambas componentes hasta que homogenicen y no se aprecie turbulencia en el color de la resina. La resina ya mezclada se vierte sobre el recipiente con las esferas de gel y se deja reposar para que catalice mediante reacción exotérmica. En este caso se puede apreciar cómo interactúan las esferas de gel de sílice (agua) con la resina (disolvente) gracias a que se trata de un material traslúcido.

En este caso la resina pudo catalizar sin grandes alteraciones en su textura o resistencia. De hecho, en este caso, al estar en contacto con las esferas de gel de sílice se acelera la catalización por la diferencia de temperatura. El color de la resina también se vió afectado por el agua de las esferas de gel, volviéndose de un tomo marfil, cuando la resina en estado sólido y sin aditivos es de color ámbar.

 

- Exp04: La resina epoxi se adhirió al recipiente sobre el que se realizó el experimento, no pudiendo extraerla debidamente y quedando la mayor parte de la retícula en el propio recipiente y el resto en fragmentos pequeños.

 

- Exp05: Este experimento se repitió con el fin de probar un molde nuevo sobre el que hacer el vertido para evitar que la resina se adhiriera al mismo. Quedó una pieza completa donde se puede apreciar mucho mejor la estructura en retícula que genera la resina. Con el paso del tiempo la resina cambia sus propiedades físicas, quedando completamente opaca y mucho más oscura en color.

 

Exp04+05// Esferas de gel de sílice + Resina de poliéster:

En este caso los experimentos fallaron debido a la incompatibilidad de la resina de poliéster con el agua de las esferas de gel. No llegó a catalizar hasta que no se extrajeron las esferas de gel. Además, la alta viscosidad de este tipo de resina empuja hacia la superficie las bolas de gel por la diferencia de densidad. Cabría estudiar la posibilidad de aumentar la cantidad de cobalto utilizado como catalizador para acelerar la reacción y forzarla aún más.

 

Aun así, por lo menos podemos concluir que, además de no catalizar en contacto con el agua, la resina también pierde su trasparencia, una de las características más potentes de este tipo de resina.

 

Exp08+09// Tamiz fino + Resina acrílica base agua ó Resina de poliéster:

Se coloca el tamiz en el bastidor de madera con cierta tensión, se mezclan los componentes hasta que la resina quede mezclada de forma homogénea y se vierte sobre el tamiz con el molde de silicona debajo para evitar derramar la resina. Se continúa vertiendo resina a través del tamiz hasta que esta comience a catalizar y ya no sea posible su vertido debido a su cambio de viscosidad. Esto se realiza con la intención de estudiar la sección de los “hilos” que la resina deja cuando cae atravesando el tamiz.

 

Al comienzo del experimento la resina tiene un estado muy fluido y atraviesa el tamiz sin mayor resistencia. Al no acumularse sobre el tamiz, no aporta demasiado peso a la malla y no sufre deformaciones. Sin embargo, conforme la resina empieza a catalizar, cambia su viscosidad lentamente hasta que llega un punto en el que le cuesta más atravesar el tamiz y comienza a acumularse, generando un cambio en la tensión de la malla y por tanto a deformarse en función de los nuevos esfuerzos a los que se sometida. Esto provoca que la resina termine canalizándose por el centro del tamiz en vez de colarse de forma dispersa como al comienzo del experimento. Además, el tamiz se ve embebido en la resina y se puede apreciar su textura en el acabado de la pieza final.

- Exp08: En el caso de la resina acrílica se produce una separación del colorante y de la resina al atravesar el tamiz, precipitándose antes la resina y quedando más saturado el colorante en la parte superior de forma heterogénea y con un patrón concéntrico (por el vertido de la resina y su forma de colarse al final del experimento).

- Exp09: En el caso de la resina de poliéster, debido al factor del tiempo de fraguado de la resina de poliéster, en este experimento se opta por cargarla de mayor cantidad de acelerante (cobalto) para que catalice antes y así que el tiempo de vertido se reduzca. En este caso la velocidad de catalización es demasiado rápida y pasa de un estado muy fluido a uno muy viscoso, como gelatinoso, en pocos segundos, por lo que es incapaz de atravesar el tamiz y comienza a acumularse, generando un cambio en la tensión del mismo por su peso.

 

Exp09// Ondas de sonido + Resina acrílica base agua:

 

Se coloca un film encima del propio subwoofer para poder repetir el experimento, se mezclan los tres componentes hasta que la resina quede mezclada de forma homogénea y se vierte sobre el film trasparente, hasta llenar el cono.

Se enciende el amplificador y si van testando frecuencias hasta encontrar la perturbación deseada, y se mantiene hasta que esta comience a catalizar y ya no sea posible continuar debido a su cambio de viscosidad.

Al comienzo del experimento la resina tiene un estado muy fluido y oscila con todas las frecuencias aplicadas, sin embargo, conforme la resina va catalizando, cada vez reacciona a menos frecuencia, y acaba solidificando con una de las frecuencias más graves con alta intensidad. Por otro lado, al final del experimento, la pieza solidificada se desprende sin problemas del film, inmortalizando la última armonización conseguida. También se genera una disociación parcial del pigmento colorante y la resina, por lo que se crean manchas de color en función de la frecuencia utilizada.

Exp10// Esferas de pintura + Resina acrílica base agua:

En este experimento se esperaba que las bolas de pintura se rompieran por la reacción exotérmica de la catalización, liberando la pintura amarilla base acuosa de su interior. La intención era comprobar si la resina acrílica absorbería el color o cómo se comportaría al introducir un elemento externo a medias de su catalización. Sin embargo sí que sirvió para aprender que la resina acrílica fue capaz de absorber las

 pinturas azul (película exterior) y amarilla (pintura interior, en menor medida), cambiando su coloración a lo largo del tiempo.

 

  1. ESTUDIO FORMAL-ESTRUCTURAL ESCALAS

Una vez realizados todos estos experimentos, y con el motivo de profundizar en los resultados obtenidos, se decide centrar el análisis en uno de ellos para poder desarrollarlo más en profundidad, el experimento de la resina acrílica junto con las esferas de gel de sílice. Este es el comienzo de la segunda fase del proyecto.

Un primer acercamiento fue ver cómo funcionaban estas nuevas estructuras a distintas escalas, como megaestructura, como construcciones a escala humana, y como material de construcción.

 

Escala monumental:

 

Varios de los espacios obtenidos son propuestas abstractas basadas en un análisis del espacio negativo vs el espacio positivo, en un ámbito quizá más relacionado con la escultura. Un gran ejemplo que es determinante a la hora de entender esto es la obra de Eduardo Chillida, ya mencionada anteriormente.

Sin embargo, otras de las propuestas se nutren de la arquitectura de la Ilustración, siendo conformados por grandes volúmenes de formas puras tanto en el espacio negativo como en el positivo, generando cierto contraste y evocando una imagen de solemnidad y rotundidad.

 

Escala intermedia:

Con el motivo de ver cómo podía materializarse la retícula a una escala más humana, se proyecta la misma sobre unas geometrías ya conocidas, características de los sistemas monolíticos, para poder estudiar qué diferencias existe con los espacios que genera aplicando este nuevo input, además de cómo afecta al rigor estructural de las mismas en su comportamiento interno a la hora de trasmitir los esfuerzos.

 

Escala material:

Se realizan una serie de mini-testers para acercarse a la materialidad del proyecto de tal forma que se retoman los primeros análisis realizados a todas las resinas, pero esta vez aplicado a las nuevas posibilidades que hay abiertas.

Se utilizan de nuevo cargas como la viruta de aluminio, hierro, filite, colorantes, etcétera, a la par que se estudia los posibles acabados con distintos tamaños de esferas. También se realiza un pulido de las piezas para poder apreciar mejor la sección de las mismas.

 Por último se crean distintas piezas más grandes a modo de azulejo jugando con diferentes composiciones formales entre el tamaño de la pieza, su contorno, los tamaños de las esferas, y el color.

  1. RESULTADOS PRUEBAS DE LABORATORIO

Con el interés en mente de entender cómo funciona esta retícula frente a distintos esfuerzos, se elabora un Plan de Trabajo para poder realizar un estudio de este nuevo material- retícula resultante de los experimentos. Se pretende conocer mejor cómo se comporta en distinto tipo de situaciones, y así poder utilizarlo arquitectónicamente en base a sus capacidades cualitativas y constructivas.

Por ello se realizan una serie de probetas siguiendo las recomendaciones de la norma UNE 80-101-88 en cuanto a las dimensiones para un estudio a compresión. Se utilizan distintos tamaños de esferas de gel así como dos disposiciones, vertical y horizontal, a la hora de permitir el fraguado.

Se realizan dos tandas de probetas. La primera de ellas se centra en averiguar el comportamiento en función del tamaño de esferas de gel; la segunda variaba el porcentaje de contenido de un mismo tipo de esferas (las que mejor resultados dieron tras la primera tanda de trabajo), tratando de tener un entendimiento más amplio de cómo funcionaba este nuevo material y comparándolo con otros productos actuales de mercado en su resistencia a compresión y en su precio. Todo este análisis genera una serie de gráficas que acota de una forma empírica el comportamiento a compresión y flexotracción en función de dos parámetros principales de control de la retícula.

  1. APLICACIÓN ARQUITECTÓNICA

Una vez conocido el comportamiento frente a esfuerzos del material, entendemos que funciona de forma aproximada como una estructura monolítica, aunque el reparto interno de las cargas sea diferente, ya que tiene una resistencia mucho mayor a compresión que a flexotracción.

Primeramente, como ejercicio analítico del módulo mínimo arquitectónico, se toma como referencia la Paper Log House, de Shigeru Ban. Habitualmente los refugios son una arquitectura de primera necesidad frente a una catástrofe donde lo prioritario es la rapidez y la economía con la que dar hogar a los que lo necesitan. Sin embargo esto suele tener como resultado viviendas precarias que son únicamente temporales, esta propuesta plantea el uso de la resina con esferas de gel como una estrategia para dar una vivienda duradera a estas personas, eludiendo el concepto de que rápido es igual a precario.

El Paper Log House es un proyecto de Shigeru Ban que nació en 1995 como respuesta al terremoto sufrido en Kobe, Japón, construido principalmente con tubos de cartón en las paredes de un espesor de 4 mm y 106 mm de diámetro y quedando un

espacio central de 52 metros cuadrados, además se utiliza material plástico para facilitar el abombamiento del techo y cintas de esponja impermeable entre los tubos para el aislamiento. El soporte inferior se compone de cajas de cerveza donados con comercios locales y cargados con sacos de arena.

 

De esta manera, trabajando en paralelo con los sistemas constructivos que Shigeru Ban propone, se reinterpretan como funcionarían pero aplicando este material, como un ejercicio para poder pensar además las posibles materializaciones de las propiedades que puede ofrecer:

 

- Cimentación: La cimentación está aligerada con esferas de gel de sílice que cuando pierden la humedad se encogen dejando huecos vacíos que, con el paso del tiempo, se colmatan de tierra, barro y lodos. De esta manera en un primer lugar se consigue realizar la cimentación con mucho menos material pero posteriormente se consigue mejorar de forma sencilla.

 

- Forjado: Se rellena mediante esferas de EPS para que sea aislante térmicamente y pese menos. Al mismo tiempo se divide en paños de igual tamaño para poder levantar las planchas con más facilidad ya que son de mayor espesor que el resto de los elementos.

 

- Muros de carga: Mediante varios vertidos en el mismo encofrado-suelo se realiza un panel sandwich que responda a distintas capacidades a la vez que actúa como muro de carga.

 

- Cubierta: Usando el propio suelo como encofrado, se presenta la geometría en el mismo y se excava. Se mezcla la resina con esferas de EPS como aislante térmico y se añaden las esferas de gel de sílice de gran formato a modo de hueco. Por último se acaba con una capa de resina de poliéster, que es altamente impermeable.

 

  1. APLICACIÓN ARQUITECTÓNICA – técnica constructiva

 

Estudiar el funcionamiento según los componentes arquitectónicos es un ejercicio interesante y además sirvió para proponer distintos usos y propiedades, sin embargo el auténtico potencial del proyecto se basa en que en una misma sección, es capaz llegar a albergar todas estas propiedades en función de su disposición, y no es necesaria su división en sistemas constructivos separados. Por tanto, el siguiente paso es ver cómo podría llevarse esto a cabo constructivamente, por lo que se realizan una serie de cúpulas experimentales para intentar replicar a escala de maqueta lo que se traduciría como el proceso constructivo real necesario para generar estas arquitecturas.

- Encofrado: Con la finalidad de ajustarse a la realidad constructiva de la cúpula lo más posible, se realiza un encofrado de tierra y un muro de contención perimetral para soportar el vertido. En el caso de la prueba a escala de maqueta esto se realiza con arena humedecida con agua y compactada para que tenga mayor resistencia.

- Esferas de gel: Se comienzan a colocar las esferas de gel de sílice que corresponderían a la cimentación enterrada y los primeros metros de altura de la cúpula en el muro de contención previamente realizado. A la hora de colmatar la cúpula, al ser de gran dificultad con esta técnica, que se busca que sea lo más sencilla posible; se va colmatando de esferas de gel de sílice a la vez que se van conteniendo con más arena húmeda hasta completarla.

- Vertido: Por último se realiza el vertido de resina acrílica. El primer intento de cúpula no llegó a completarse del todo ya que se intentó conseguir una consistencia más viscosa para que mantuviera una sección mayor, sin embargo, no pudo llegar a filtrarse a través de las esferas de gel de sílice. En el segundo caso, se realizan dos vertidos, uno de menor viscosidad para que la resina filtre correctamente, y mediante un segundo vertido más viscoso se consigue mejor comportamiento en la cúspide de la cúpula. En tercer lugar, se utiliza un encofrado auxiliar debido a que por falta de compactación de la arena hubo fugas, así que finalmente, en este caso se realiza un único vertido pero espesando el crudo de resina a para la parte final.

  1. APLICACIÓN ARQUITECTÓNICA – cualidad arquitectónica, el retorno a la forma

Una vez conseguida una metodología constructiva extrapolable a la vida real y con confianza en la técnica, se trata de afrontar un reto mayor, buscando un programa algo más complejo que concatene espacios y usos para poder ver como se integra la retícula con el mismo.

Se parte de una referencia externa, la Casa Infinita de Kiesler. Kiesler pensó esta casa desde la forma, estudiando el retorno a la cueva, sin embargo, en el caso de esta última aplicación arquitectónica el ciclo se ve invertido, siendo la estructura y su formulación constructiva la genera la forma.

Como se trata de un ejercicio práctico de aplicación técnica, el programa de la casa está basado en una de las primeras referencias del proyecto, la Casa-Restaurante de Junya Ishigami, ya que trata con geometrías parecidas y el uso del espacio en las tres dimensiones es más parecido y fácil de adaptar que el de otro tipo de proyectos.

Antes de realizar el modelo final de la casa, se realiza esta maqueta a escala más pequeña para comprobar el funcionamiento espacial de la propuesta, sobre todo para

estudiar la definición del mismo en altura, ya que mediante técnicas tradicionales de dibujo sería demasiado complejo.

Una vez definidas las proporciones finales, se comienza el proceso de realización de la maqueta. Éste se basa en las experiencias obtenidas al realizar las cúpulas anteriores. En este caso se ha dividido en tres partes por la gran magnitud que tiene. Se decide dividir el volumen total en tres partes para poder controlar mejor los tiempos de vertido de la resina; la división se realiza con acetato, que es un material impermeable y por tanto, al que no se adhiere la resina. Del mismo modo, esta división servirá como sección de la maqueta para facilitar su observación interior y dividir el peso total en piezas más manejables (3’5-4 kg cada pieza).

Finalmente el resultado final consiste en una serie de espacios abovedados concatenados donde cada punto de la arquitectura no sólo responde a la búsqueda de conseguir esa sección variable en sus capacidades, sino que además tiene unas cualidades arquitectónicas únicas, formales y espaciales, que son intrínsecas a la estructura y no al revés.

Tutor: JAVIER SÁNCHEZ MERINA (Proyectos Arquitectónicos) DANIEL CARRATALÁ CLIMENT (Estructuras)